CN110612430B - 影像传感系统及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种影像传感系统(10)，包括第一像素电路(120)，所述第一像素电路包括感光元件(PD)；第一传输闸(TG1)，受控于第一传输信号而于第一导通时间区间导通；以及收集栅(CG)，耦接于所述感光元件与所述传输闸之间，用来接收收集信号(CX)；以及控制单元(14)，用来产生所述收集信号至所述收集栅，其中所述收集信号具有非固定的电压值。

Description

影像传感系统及电子装置
技术领域
本申请涉及一种影像传感系统及电子装置，尤其涉及一种可同时操作于光学测距模式以及一般相机模式的影像传感系统及电子装置。
背景技术
随着科学与技术的飞速发展，物体三维信息的获取在很多应用领域都有着广泛的应用前景，如生产自动化、人机交互、医学诊断、逆向工程、数字化建模等。其中，结构光三维测量法作为一种非接触式的三维信息获取技术，因其实现简单、速度快和精度高等优点得到了广泛应用。
当影像传感系统进行光学测距时，影像传感系统所发射的入射光通常为短暂的脉冲光，现有影像传感系统中的像素电路中收集栅的接收固定的电压。然而，在收集电压为固定的情况下，现有像素电路中感光元件的满井容量(Full Well Capacity)较低，不利于长时间曝光，不适合操作于一般相机模式。因此，现有技术中，电子装置需要一组操作于一般相机模式的像素阵列以及另一组操作于光学测距模式的像素阵列，而导致生产成本增加。
因此，现有技术实有改进的必要。
发明内容
因此，本申请部分实施例的目的即在于提供一种可同时操作于光学测距模式以及一般相机模式的影像传感系统及电子装置，以改善现有技术的缺点。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种影像传感系统，包括第一像素电路，包括感光元件；第一传输闸，受控于第一传输信号而于第一导通时间区间导通；以及收集栅，耦接于所述感光元件与所述传输闸之间，用来接收收集信号；以及控制单元，耦接于所述收集栅，所述用来产生所述收集信号至所述收集栅，其中所述收集信号具有非固定的电压值。
例如，于所述第一导通时间区间之前，所述控制单元所产生的所述收集信号为第一高电位，并于所述第一导通时间区间中，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述第一高电位转态成为低电位。
例如，所述第一传输信号于第一上升沿时间具有第一上升沿，所述收集信号于第一转态时间由所述第一高电位转态成为所述低电位，所述第一上升沿时间与所述第一转态时间的时间差大于光行经所述影像传感系统与目标物件的来回时间。
例如，所述第一像素电路还包括重置晶体管，所述重置晶体管受控于重置信号而于重置时间区间导通，于所述第一重置时间区间之后且于所述第一导通时间区间之前，所述控制单元所产生的所述收集信号为所述第一高电位。
例如，于所述第一导通时间区间之后，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述低电位转态成为所述第一高电位。
例如，所述第一传输信号于第一下降沿时间具有第一下降沿，所述收集信号于第二转态时间由所述低电位转态成为所述第一高电位，所述第二转态时间于所述第一下降沿时间之后。
例如，所述第一像素电路还包括第二传输闸，受控于第二传输信号而于第二导通时间区间导通；其中，于所述第二导通时间区间之前，所述控制单元所产生的所述收集信号为第一高电位；其中，于所述第二导通时间区间中，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述第一高电位转态成为低电位。
例如，于所述第二导通时间区间之后，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述低电位转态成为所述第一高电位。
例如，所述第一像素电路于读取时间区间输出第一像素输出信号，于所述读取时间区间中，所述控制单元所产生的所述收集信号为第二高电位，所述第二高电位大于所述第一高电位。
本申请实施例还提供了一种电子装置，其包括影像传感系统，所述影像传感系统包括第一像素电路，包括感光元件；第一传输闸，受控于第一传输信号而于第一导通时间区间导通；以及收集栅，耦接于所述感光元件与所述传输闸之间，用来接收收集信号；以及控制单元，耦接于所述收集栅，所述用来产生所述收集信号至所述收集栅，其中所述收集信号具有非固定的电压值。
本申请利用收集信号的时序，扩大感光元件的满井容量，因此，随着曝光时间越长，感光元件可储存越多的光电子而增进信号质量。相较于现有技术，本申请仅利用单一套像素阵列，即可操作于一般相机模式以及光学测距模式，具有降低生产成本的优点。
附图说明
图1为本申请实施例一影像传感系统的示意图；
图2为本申请实施例一像素电路的示意图；
图3为本申请实施例一收集栅电极的剖面示意图；
图4为本申请实施例多个信号的波形图；
图5为本申请实施例多个信号的波形图；
图6为本申请实施例一影像传感系统的示意图；
图7为本申请实施例一像素电路的示意图；
图8为本申请实施例多个信号的波形图；
图9为本申请实施例多个信号的波形图；
图10为本申请实施例一电子装置的示意图。
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。
请一并参考图1及图2，图1为本申请实施例影像传感系统10的示意图，图2为本申请实施例像素电路120的示意图。影像传感系统10可(同时)进行光学测距以及产生一般影像，其中光学测距可利用结构光以及三角测量法进行测距，或是利用飞时测距法进行测距，一般影像可指由一般相机所产生彩色或黑白的影像，即影像传感系统10可操作于光测距模式或是操作于一般相机模式。如图1所示，影像传感系统10包括发光单元11、像素阵列12以及控制单元14。发光单元11为进行光学测距时使用，其可为发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)，如红外线(Infrared Ray，IR)发光二极管，发光单元11接收发光信号LD1而发射入射光。
像素阵列12包括多个像素电路120排列成一阵列，如图2所示，像素电路120包括感光元件PD、传输闸TG1、收集栅(Collection Gate)CG、输出晶体管DV1、读取晶体管RQ1、重置晶体管RT1以及防晕染(Anti-Blooming)晶体管AB。感光元件PD用来接收光照(包含对应于入射光的反射光或背景光)并产生光电子，重置晶体管RT1接收(或受控于)重置信号Rst而于重置时间区间TR导通。传输闸TG1受控于传输信号TX1而于导通时间区间TC1导通，以将感光元件PD所储存的光电子汲取至节点FD1。输出晶体管DV1的栅极(Gate)耦接于节点FD1，读取晶体管RQ1耦接于输出晶体管DV1。读取晶体管RQ1接收读取信号RD，并于读取时间区间TRD输出像素输出信号Pout1。收集栅CG耦接于感光元件PD与传输闸TG1之间，收集栅CG接收一收集信号CX，收集栅CG及收集信号CX可于感光元件PD形成电场或电位能，以储存或清除位于感光元件PD的光电子，以增进信号质量。防晕染晶体管AB用来将感光元件PD因接收背景光而产生的光电子汲取出来，以免影响电路的正常运作，防晕染晶体管AB接收信号TX4。控制单元14耦接于像素电路120的收集栅CG，用来产生具有非固定电压值的收集信号CX至收集栅CG。
详细来说，请一并参考图3及图4，图3绘示感光元件PD、传输闸TG1以及收集栅CG的剖面图及其形成电场/电位能的示意图，图4绘示当影像传感系统10操作于光学测距模式时，发光信号LD1、重置信号Rst、传输信号TX1、信号TX4以及收集信号CX的波形图。如图3所示，传输闸TG1为一颗完整的金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)，而收集栅CG为设置于感光元件PD上且邻近于传输闸TG1的电极(而非完整的场效应管)，其可视为耦接于感光元件PD与传输闸TG1之间。其中，图3中的曲线cv1绘示于重置时间区间TR与传输信号TX1的上升沿时间tre1之间，像素电路120中(感光组件PD、传输闸TG1以及收集栅CG)所形成的电位能；曲线cv2绘示于上升沿时间tre1与收集信号CX的转态时间ttrs1之间，像素电路120中所形成的电位能；曲线cv3绘示于收集信号CX的转态时间ttrs1与传输信号TX1的下降沿时间tfe1之间，像素电路120中所形成的电位能；曲线cv4绘示于下降沿时间tfe1与收集信号CX的转态时间ttrs2的之间，像素电路120中所形成的电位能。另外，图3中的子图3c～3f分开绘示曲线cv1～cv4，图3中的子图3b合并绘示电位能/曲线cv1～cv4，以表示其之间的相对关系。
如图4所示，于像素电路120开始运作前，重置晶体管RT1于重置时间区间TR导通，控制单元14所产生的收集信号CX于重置时间区间TR由低电位VL转态成为高电位VH1。于重置时间区间TR后，控制单元14所产生的收集信号CX维持在高电位VH1，直到传输闸TG1的导通时间区间TC1。于导通时间区间TC1中，控制单元14所产生的收集信号CX由高电位VH1转态成为低电位VL。当导通时间区间TC1结束一段时间后，控制单元14所产生的收集信号CX再由低电位VL转态成为高电位VH1。于一实施例中，低电位VL可为0.1伏特(Volt，V)，高电位VH1可大致为1.8V。更进一步地，收集信号CX于转态时间ttrs1由高电位VH1转态成为低电位VL，收集信号CX于转态时间ttrs2由低电位VL转态成为高电位VH1，另外，传输信号TX1于上升沿时间tre1具有上升沿(Rising Edge)并于下降沿时间tfe1具有下降沿(Falling Edge)。收集信号CX的转态时间ttrs1位于导通时间区间TC1中，即转态时间ttrs1位于上升沿时间tre1与下降沿时间tfe1之间，转态时间ttrs2-位于下降沿时间tfe1之后，即转态时间ttrs2晚于下降沿时间tfe1。
于重置时间区间TR与导通时间区间TC1之间，像素电路120中的电位能如图3中子图3c(曲线cv1)所示，于传输闸TG1及收集栅CG可形成较大的电位能障碍(Barrier)，光电子不容易转移到节点FD1，而可储存较多的光电子。于导通时间区间TC1的初期，即于上升沿时间tre1与转态时间ttrs1之间，传输信号TX1为高电位，像素电路120中的电位能如子图3d(曲线cv2)所示，此时开始有一些光电子转移(被汲取)到节点FD1。于导通时间区间TC1的后期，即于转态时间ttrs1与下降沿时间tfe2之间，收集信号CX转态为低电位VL，像素电路120中的电位能如子图3e(曲线cv3)所示，此时因传输信号TX1为高电位且收集信号CX为低电位VL，储存于感光元件PD的光电子可被更多且更有效率地转移至节点FD1。下降沿时间tfe2与转态时间ttrs2之间，像素电路120中的电位能如子图3f(曲线cv4)所示。转态时间ttrs2之后，收集信号CX再度转态为高电位VH1，像素电路120中的电位能回复成为原始状态，即为图3中子图3c(曲线cv1)所示，此时传输信号TX1为低电位，再度形成大的电位能障碍。
较佳地，发光信号LD1的下降沿时间与收集信号CX的的下降沿时间(即转态时间ttrs1)之间具有时间差DT，较佳地，时间差DT大于发光单元11所发射最后的入射光行经影像传感系统10与目标物件的来回时间(Round Trip Time)，即可保证反射光可在收集信号CX转态成为低电位VL(即转态时间ttrs1)之前抵达影像传感系统10。
另外，图5绘示当影像传感系统做于一般相机模式时，读取信号RD、发光信号LD1、重置信号Rst、传输信号TX1、信号TX4以及收集信号CX的波形图。类似于图4所绘示(光学测距模式)的时序，图5中的收集信号CX于于重置时间区间TR与导通时间区间TC1之间(即于曝光时间中)为高电位VH1，且收集信号CX于导通时间区间TC1中的转态时间ttrs1由高电位VH1转态成为低电位VL。
不同于类似于图4(光学测距模式)，于一实施例中，当读取晶体管RQ1导通时，即当读取信号RD为高电位时，收集信号CX的电压拉高至另一高电位VH2，其中高电位VH2大于高电位VH1，例如，高电位VH2可为高电位VH1的2倍(VH2＝2*VH1)。换句话说，于读取时间区间TRD中，高电位VH2于收集栅CG所形成的电位能更高，此时传输闸TG1与收集栅CG之间形成更大的电位能障碍，而使光电子更不容易转移到节点FD1，以避免影响输出信号。另外，用来控制防晕染晶体管AB的信号TX4易于读取时间区间TRD中拉高成为高电位，以于读取时间区间TRD中将感光元件PD的光电子汲取出来，以免影响电路的正常运作。于另一实施例中，当读取晶体管RQ1导通时，收集信号CX的电压可继续维持为低电位VL，如图5中收集信号CX于读取时间区间TRD的点线所示，亦满足本申请的要求而属于本申请的范畴。
当进行光学测距时，发光单元所发射的入射光为短暂的脉冲光，而为了顺利汲取对应短暂脉冲光的光电子，现有像素电路中收集栅的收集信号通常为固定电压(如0.1伏特)。然而，在收集信号为固定电压的情况下，现有像素电路中感光元件的满井容量(FullWell Capacity)低，不利于长时间曝光，也就是说，当现有应用于光学测距的像素电路的曝光时间稍长时，(现有应用于光学测距的)感光元件的光电子很快就会满溢出来，而影响到一般影像的信号质量，因此，现有应用于光学测距的像素电路并不适合操作于一般相机模式，使得现有电子装置需要一组操作于一般相机模式的像素阵列以及另一组操作于光学测距模式的像素阵列，而导致生产成本增加。
相较之下，本申请赋予收集信号CX适当的时序(Timing)，使得当影像传感系统10操作于一般相机模式时，收集栅CG与传输闸TG1之间形成够大的电位能障碍，以扩大感光元件PD的满井容量，随着曝光时间越长，感光元件PD可储存越多的光电子，进而增进一般相机模式时的信号质量。相较于现有技术，本申请仅利用单一套像素阵列12，即可操作于一般相机模式以及光学测距模式，具有降低生产成本的优点。
需注意的是，前述实施例用以说明本申请的发明概念，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，请一并参考图6及图7，图6为本申请实施例影像传感系统60的示意图，图7为本申请实施例像素电路620的示意图。影像传感系统60与影像传感系统10类似，与影像传感系统10不同的是，影像传感系统60包括二个发光单元61a、61b以及像素阵列62，发光单元61a、61b分别接收发光信号LD1、LD2而于不同时间发射入射光。另外，像素阵列62包括多个像素电路620排列成一阵列，如图7所示，相较于图2的像素电路120，像素电路620还包括传输闸TG2、TG3、输出晶体管DV2、DV3、读取晶体管RQ2、RQ3以及重置晶体管RT2、RT3。其中，读取晶体管RQ2、RQ3接收读取信号RD，并于读取时间区间TRD分别输出像素输出信号Pout2、Pout3，重置晶体管RT2、RT3接收重置信号Rst而于重置时间区间TR导通。另外，传输闸TG2、TG3分别接收传输信号TX2、TX3。
关于影像传感系统60的操作，请参考图8及图9，图8及图9分别为影像传感系统60操作于光学测距模式及一般相机模式的时序图。于光学测距模式中，如图8所示，传输闸TG1、TG2分别于导通时间区间TC1、TC2导通，发光单元61a、61b分别于导通时间区间TC1、TC2中发光。于导通时间区间TC1、TC2中，感光元件PD分别接收对应于发光单元61a、61b的反射光。传输闸TG3于发光单元61a、61b皆不发光的导通时间区间TC3导通，于导通时间区间TC3中，感光元件PD接收背景光。用来控制防晕染晶体管AB的信号TX4于导通时间区间TC1、TC2、TC3为低电位，其余大部分时间为高电位。类似地，收集信号CX于导通时间区间TC1、TC2、TC3中由高电位VH1转态成为低电位VL。当导通时间区间TC1、TC2、TC3结束一段时间后，收集信号CX再由低电位VL转态成为高电位VH1。
类似地，于一般相机模式中，图9中的收集信号CX于于重置时间区间TR与导通时间区间TC1之间(即于曝光时间中)为高电位VH1，且收集信号CX于导通时间区间TC1中的转态时间ttrs1由高电位VH1转态成为低电位VL。其余细节请参考前述相关段落，于此不再赘述。
另外，本申请的影像传感系统可设置于如手机或平板计算机的电子装置中。请参考图10，图10为本申请实施例电子装置A的示意图。电子装置A包括影像传感系统A0，影像传感系统A0可通过影像传感系统10或影像传感系统60来实现。
综上所述，本申请利用收集信号的时序，扩大感光元件的满井容量，因此，随着曝光时间越长，感光元件可储存越多的光电子而增进信号质量。相较于现有技术，本申请仅利用单一套像素阵列，即可操作于一般相机模式以及光学测距模式，具有降低生产成本的优点。
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 (9)

1.一种影像传感系统，其特征在于，包括：
第一像素电路，包括：
感光元件；
第一传输闸，受控于第一传输信号而于第一导通时间区间导通；以及
收集栅，耦接于所述感光元件与所述传输闸之间，用来接收收集信号；以及
控制单元，耦接于所述收集栅，所述用来产生所述收集信号至所述收集栅，其中所述收集信号具有非固定的电压值；
其中，于所述第一导通时间区间之前，所述控制单元所产生的所述收集信号为第一高电位，并于所述第一导通时间区间中，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述第一高电位转态成为低电位。
2.如权利要求1所述的影像传感系统，其特征在于，所述第一传输信号于第一上升沿时间具有第一上升沿，所述收集信号于第一转态时间由所述第一高电位转态成为所述低电位，所述第一上升沿时间与所述第一转态时间的时间差大于光行经所述影像传感系统与目标物件的来回时间。
3.如权利要求1所述的影像传感系统，其特征在于，所述第一像素电路还包括重置晶体管，所述重置晶体管受控于重置信号而于重置时间区间导通，于一第一重置时间区间之后且于所述第一导通时间区间之前，所述控制单元所产生的所述收集信号为所述第一高电位。
4.如权利要求1所述的影像传感系统，其特征在于，于所述第一导通时间区间之后，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述低电位转态成为所述第一高电位。
5.如权利要求4所述的影像传感系统，其特征在于，所述第一传输信号于第一下降沿时间具有第一下降沿，所述收集信号于第二转态时间由所述低电位转态成为所述第一高电位，所述第二转态时间于所述第一下降沿时间之后。
6.如权利要求1所述的影像传感系统，其特征在于，所述第一像素电路还包括：
第二传输闸，受控于第二传输信号而于第二导通时间区间导通；
其中，于所述第二导通时间区间之前，所述控制单元所产生的所述收集信号为第一高电位；
其中，于所述第二导通时间区间中，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述第一高电位转态成为低电位。
7.如权利要求6所述的影像传感系统，其特征在于，于所述第二导通时间区间之后，所述控制单元所产生的所述收集信号由所述低电位转态成为所述第一高电位。
8.如权利要求1所述的影像传感系统，其特征在于，所述第一像素电路于读取时间区间输出第一像素输出信号，于所述读取时间区间中，所述控制单元所产生的所述收集信号为第二高电位，所述第二高电位大于所述第一高电位。
9.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求1-8中任意一项所述的影像传感系统。
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