CN1323549C - 影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置，该影像感测单元包括光电闸、组合光电闸的光二极管及第一开关。第一开关一端连接至参考电压，另一端连接至光二极管。上述的操作方法包括下列步骤：(a)施加第一电压值于光电闸；(b)导通第一开关；(c)在第一时间，截断第一开关；(d)让光二极管被光所照射；(e)在第二时间，停止施加第一电压值于光电闸；(f)在第三时间，施加第二电压值于光电闸；(g)维持第一开关的截断，至第四时间。此种影像感测单元的操作方法能让使用其的影像感测装置有较大的动态感测范围。

Description

影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置

技术领域

本发明是涉及一种影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置，特别是涉及一种能增加影像感测单元的动态范围的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置。

背景技术

越来越多电子产品内建摄影功能，例如行动电话、个人数码助理(PDA)及玩具等。再加上电子科技的突飞猛进，影像感测器也渐渐取代传统的底片而成为主要的影像感测元件。影像感测器的功用在于将光讯号转为电子讯号。目前市面上影像感测器，有不少是内建光二极管(Photodiode)以作为光讯号的撷取。

图1是一种现有习知的影像感测器的电路图，请参阅图1所示。此影像感测器100包括一参考电压V_cc、一光二极管120、一第一开关130、一源极追随器(source follower)140、一第二开关180以及一记忆电路160。第一开关130、源极追随器140以及第二开关180可为晶体管(晶体管即为电晶体，以下均称为晶体管)。光二极管120和源极追随器140皆电性耦接至第一开关130。二极管120和源极追随器140皆电性耦接至参考电压V_cc。第一开关130则置于二极管120和参考电压V_cc之间。此外，源极追随器140的闸极电性耦接于第一开关130和光二极管120之间。影像感测器100的记忆电路160则用以纪录第二开关180的输出电压V_out的变化，此输出电压V_out正比于源极追随器140的闸极的电压大小。至于影像感测器100的运作流程，将做详细地说明如下。

图2绘示图1的输出电压在影像感测器运作周期内的变化示意图，请同时参阅图1和图2所示。运作周期一开始，先将开关130导通。光二极管120上的电压V₁与源极追随器140的闸极上的电压值将等于参考电压V_cc。然后在第一时间T₁，将开关130截断，且外界的光线150经由透镜(图中未示)照射在光二极管120上。光二极管120因为光线150的照射而产生光电流(photo current)，致使光二极管120的电压V₁降低。源极追随器140的闸极的电压也跟着下降。在这当中，输出电压V_out也随着源极追随器140的闸极电压的改变而改变。之后在第二时间T₂，将第一开关130再度导通，以开始另一新的周期。第一时间T₁的输出电压V_out与第二时间T₂的输出电压V_out值会记录在记忆电路160中，藉由两者的差值，影像感测器100可判断外界光线150的强度。

请继续参阅图1与图2所示，我们便可发现当外界光线150的强度愈强，输出电压V_out的值便下降得愈快。当输出电压V_out在第二时间t₂前降为0时，影像感测器100便无法再判断外界光线150的强度。因此，影像感测器100的动态范围有一上限(动态范围＝影像感测器所能感测到的最大光强度/影像感测器所能感测到的最小光强度)。

由此可见，上述现有的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置在操作方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般操作方法及使用其的影像感测装置又没有适切的操作方法及结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置，能够改进一般现有的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的影像感测单元的操作方法所存在的缺陷，而提供一种新的影像感测单元的操作方法，所要解决的技术问题是使其可以增加影像感测单元的动态范围并兼顾影像感测单元的灵敏度，从而更加适于实用。

本发明的另一目的在于，克服现有的影像感测装置存在的缺陷，而提供一种新型结构的影像感测装置，所要解决的技术问题是使其可以增加影像感测单元的动态范围并兼顾影像感测单元的灵敏度，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种影像感测单元的操作方法，该影像感测单元包括：一光电闸、组合该光电闸的一光二极管及一第一开关，该第一开关一端连接至一参考电压，另一端连接至该光二极管，该操作方法包括以下步骤：施加一第一电压值于该光电闸；导通该第一开关；在一第一时间，截断该第一开关；在一第二时间，降低施加于该光电闸的电压值；在一第三时间，提高施加于该光电闸的电压值；以及维持该第一开关的截断，至一第四时间。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的影像感测单元的操作方法，更包括下列可能变化：在该第二时间，停止施加该第一电压值于该光电闸；以及在该第三时间，施加一第二电压值于该光电闸。

前述的影像感测单元的操作方法，是将该第二电压值调整到等于该第一电压值。

前述的影像感测单元的操作方法，是在该第二时间，将施加于该光电闸的电压自该第一电压值调整为一第三电压值，其中该第三电压值小于该第一电压值。

前述的影像感测单元的操作方法，是在该第三时间时，将施加于该光电闸的电压自该第三电压值调整为一第二电压值，其中该第二电压值大于该第三电压值。

前述的影像感测单元的操作方法，更包括下列可能变化：调整该第四时间，以改变该影像感测单元的动态感测范围；以及藉由增加第四时间与第三时间之间的间隔，来减少该动态感测范围。

前述的影像感测单元的操作方法，更包括下列可能变化：调整该第一电压值，以改变该影像感测单元的最大光感测量；以及藉由增加第一电压值，以增加该最大光感测量。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种影像感测装置，其包括：一影像感测单元，包括：一光电闸；一光二极管，其与该光电闸组合；一第一开关，该第一开关的第一端连接至一参考电压，该第一开关的第二端连接至该光二极管的一端；一源极追随器，该源极追随器的第一端连接至该参考电压，该源极追随器的控制端连接至该光二极管的另一端；以及一第二开关，该第二开关的第一端连接至该源极追随器的第二端，该第二开关的第二端输出一输出电压；以及一控制电路，耦接至该影像感测单元，该控制电路可以分别施加不同的电压值于该第一开关、该光二极管以及该第二开关。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的影像感测装置，其中所述的控制电路可以在不同时间，分别施加不同的电压值于该第一开关、该光二极管以及该第二开关。

前述的影像感测装置，其中所述的控制电路可以依序以下列步骤调整该第一开关、该光二极管与该第二开关的各自电压值：施加一第一电压值于该光电闸，并导通该第一开关；在一第一时间截断该第一开关，并开始让该光二极管被光线所照射；在一第二时间停止施加该第一电压值于该光电闸；在一第三时间施加一第二电压值于该光电闸，并维持该第一开关的截断至一第四时间，同时导通该第二开关，以输出该输出电压。

前述的影像感测装置，其中所述的控制电路通常是让该第一电压等于该第二电压，但不限制该第一电压与该第二电压二者与该参考电压之间的关系。

前述的影像感测装置，其中所述的控制电路至少可以调整下列之一：该第四时间、该第四时间与该第三时间的间隔、第一电压值以及该第二电压值。

前述的影像感测装置，其中所述的第一开关为晶体管，该源极追随器为晶体管，而该第二开关为晶体管。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：

本发明提出一种影像感测单元的操作方法，影像感测单元包括一光电闸、组合光电闸的一光二极管及一第一开关，第一开关一端连接至一参考电压，另一端连接至光二极管。此影像感测单元的操作方法包括下列步骤：(a)施加第一电压值于光电闸。(b)导通第一开关。(c)在第一时间，截断第一开关。(d)开始让光二极管被光照射。(e)在第二时间，降低施加于光电闸的电压值。(f)在第三时间，提高施加于光电闸的电压值。(g)维持第一开关的截断，至第四时间。

本发明再提出一种影像感测装置，其包括一影像感测单元及一控制电路。影像感测单元包括一光电闸、一光二极管、一第一开关、一源极追随器以及一第二开关。光二极管与光电闸相互组合。第一开关的第一端连接至参考电压，第一开关的第二端连接至光二极管的一端。第二开关的第一端连接至参考电压，源极追随器的控制端连接至光二极管的另一端。第二开关的第一端连接至源极追随器的第二端，第二开关的第二端输出一输出电压。

影像感测装置的控制电路耦接至影像感测单元。控制电路施加第一电压值于光电闸，并导通第一开关。然后，在第一时间截断第一开关。接着，便可以让光二极管被光线所照射。然后，在第二时间停止施加第一电压值于光电闸。之后，在一第三时间施加一第二电压值于光电闸。并且，维持第一开关的截断至第四时间。同时，导通第二开关以输出输出电压。

经由上述可知，本发明是关于一种影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置，该影像感测单元包括光电闸、组合光电闸的光二极管及第一开关。第一开关一端连接至参考电压，另一端连接至光二极管。操作方法包括下列步骤：(a)施加第一电压值于光电闸。(b)导通第一开关。(c)在第一时间，截断第一开关。(d)让光二极管被光所照射。(e)在第二时间，停止施加第一电压值于光电闸。(f)在第三时间，施加第二电压值于光电闸。(g)维持第一开关的截断，至第四时间。此种影像感测单元的操作方法能让使用其的影像感测装置有较大的动态感测范围。

借由上述技术方案，本发明影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置至少具有下列优点：

在本发明的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置，因为在第二时间停止施加第一电压值于光电闸。之后，在第三时间施加第二电压值于光电闸。这些步骤可以增加电荷容量并进而使输出电压值提高，故能增加影像感测单元的动态范围。

综上所述，本发明特殊的影像感测单元的操作方法，可以增加影像感测单元的动态范围并兼顾影像感测单元的灵敏度。本发明特殊结构的影像感测装置，可以增加影像感测单元的动态范围并兼顾影像感测单元的灵敏度。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类方法中未见有类似的设计公开发表或使用而确属创新，其不论在操作方法上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，以下特举一较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是一种现有习知的影像感测器的电路图。

图2是图1的输出电压在影像感测器运作周期内的变化示意图。

图3是本发明一较佳实施例的影像感测装置的示意图。

图4是重置电压和光电闸电压与时间的关系图。

图5是本发明一较佳实施例在不同的光强度下输出电压与时间的关系图。

图6是光二极管的电位井的示意图。

图7是藉由改变第四时间和第三时间的差值来调整影像感测器的动态范围。

图8是藉由改变光电闸的电压来调整影像感测器的动态范围。

100： 影像感测器    120：光二极管

130： 第一开关      140：源极追随器

142： 闸极          150：光线

160： 记忆电路      180：第二开关

V_out：输出电压      V_cc：参考电压

T₁：第一时间             T₂：第二时间

200：影像感测装置        210：影像感测单元

212：光二极管            212a：n型掺杂区

212b：p型井              220：控制电路

230：记忆电路            M1：第一开关

M2：源极追随器           M3：第二开关

M1a，M2a M3a：第一端     M1b，M2b M3b：第二端

PG：光电闸               RST，Se1，M2c：控制端

V_out：输出电             V_cc：参考电压

t₁：第一时间             t₂：第二时间

t₃：第三时间             t₄：第四时间

C_PD，C_PG：电容

具体实施方式

为了更进一步的阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的影像感测单元的操作方法及使用其的影像感测装置其具体的实施方式、操作方法、步骤、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图3绘示为本发明一较佳实施例的影像感测装置的示意图。请参阅图3所示，一种影像感测装置200包括一影像感测单元210、一控制电路220及一记忆电路230。影像感测单元210包括一光电闸PG、一光二极管212、一第一开关M1、一源极追随器M2以及一第二开关M3。光二极管212举例来说可以是金氧半导体，其与光电闸PG组合，而使得光二极管212的二端分别位于光电闸PG的二侧。第一开关M1的第一端M1a连接至参考电压V_cc。第一开关M1的第二端M1b连接至光二极管212的一端。源极追随器M2的第一端M2a连接至参考电压V_cc，源极追随器M2的控制端M2c连接至光二极管212的另一端。第二开关M3的第一端M3a连接至源极追随器M2的第二端M2b，第二开关M3的第二端M3b输出一输出电压V_out。需注意的是，第一开关M1、源极追随器M2以及第二开关M3，举例来说可以是晶体管。

图4是重置电压和光电闸电压与时间的关系图。请同时参阅图3及图4所示，影像感测装置200的控制电路220耦接至影像感测单元210。控制电路220施加第一电压值V1于光电闸PG。接下来，控制电路220施加重置电压V_RST在第一开关M1的控制端RST以导通第一开关M1。然后，在第一时间t₁停止施加重置电压V_RST以截断第一开关M1。同时，记忆电路230记录第一时间t₁的输出电压V_out的值。之后，外界的光线(图中未示)开始照射在光二极管212上，输出电压V_out的值也跟着开始下降。接着，控制电路220在第二时间t₂停止施加第一电压值V1于光电闸PG。之后，在第三时间t₃控制电路220施加第二电压值V2于光电闸PG。第二电压值V2基本上等于第一电压值V1，但第一电压V1与第二电压V2二者可以等于V_cc亦可以不等于V_cc。并且，控制电路220维持第一开关M1的截断至第四时间t₄。同时，控制电路220导通第二开关M3以输出输出电压V_out。这时，记忆电路230记录第四时间t₄的输出电压V_out。藉由，记忆电路230记录第一时间t₁的输出电压V_out与第四时间t₄的输出电压V_out的差值，影像感测装置200可判断外界光线的强度。

图5绘示为本发明一较佳实施例在不同的光强度下输出电压与时间的关系图。请同时参阅图3及图5所示，控制电路220在第二时间t₂截断光电闸PG的电压，又在第三时间t₃恢复电压。我们可发现光强度愈强时，输出电压的下降速率便愈快。而且，在第三时间t₃后，输出电压明显提高，其原因将在以下做较详细的讨论。

图6绘示为光二极管的电位井的示意图。请参阅图6所示，当光电闸PG不通以电压时，n型掺杂区212a与p型井212b间存在有一电容C_PD。当光电闸PG通以电压时，会于p型井212b相对于光电闸的下方产生一反转层(inversion layer)。这样一来，光二极管212除了存有电容C_PD外，另存有一电容C_PG。因为这些电容C_PD、C_PG的存在，p型井212b会产生电位井(potential-energy well)，外界光线照射时产生的部分电子会储存于此。

请同时参阅图5及图6所示，当光强度愈强时，输出电压值下降的速率愈快。此现象的原因在于光强度愈强，电子的产生率便欲高，n型掺杂区212a的电压因而降低，致使输出电压值下降。当光电闸电压在第二时间t₂被截断后，电容从C_PD+C_PG降为C_PD，位于电容C_PG下方的电子便会跑到电容C_PD下方。若电容为C_PD+C_PG时所储存的电子数大于电容为C_PD时所能储存的最大电子数时，多余的电子便经由接地端排出。当光电闸在第三时间t₃再通以电压后，输出电压提高。此乃因为施加于光电闸的电压连带使n型掺杂区212a的电压提高，以及电子在此时的数量已比光电闸电压在第二时间t₂被截断前还少所致。

图7绘示为藉由改变第四时间和第三时间的差值来调整影像感测器的动态范围。请同时参阅图6及图7，经由实验测量结果，吾人可发现当第四时间t₄和第三时间t₃的差值加大时，动态范围便减小。主要原因在于第四时间t₄和第三时间t₃的差值愈大，光照射的时间加长导致在第四时间t₄的输出电压减少所致。

图8是藉由改变光电闸的电压来调整影像感测器的动态范围。请同时参阅图5及图8，经由实验测量结果，当施加于光电闸的电压值增大时，影像感测器的动态范围也随着增加。因为，在第一时间的输出电压随着光电闸的电压值增大而加大。而且，在第三时间输出电压的回升值亦较多。

值得注意的是，本发明影像感测器的光二极管并不限于金氧半导体。其他附有光电闸的二极管亦不脱离本发明的范围。另外，在上述实施例中，第二电压值通常等于第一电压值，但第一电压值与第二电压值二者皆可以或等于参考电压V_cc或不等于参考电压V_cc。此外，控制电路亦可于第二时间施加一第三电压值于光电闸，并非一定要截断电压。此第三电压值只要较第一电压值及第二电压值为小，影像感测器便可达到类式的效果。

综上所述，在本发明的影像感测装置，因为控制电路在一第二时间停止施加第一电压值于光电闸或将光电闸的电压降到比第一电压值低的某一特定电压。之后，控制电路在一第三时间施加一第二电压值于光电闸或让光电闸的电压的此特定电压上升至第二电压值。这些步骤可以使输出电压值提高，故能增加影像感测单元的动态范围。此外，藉由改变第四时间和第三时间的差值亦可以使影像感测器的动态范围加大。而且，藉由调整光电闸的电压也可达到同样的效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1、一种影像感测单元的操作方法，影像感测单元包括：一光电闸、组合该光电闸的一光二极管及一第一开关，该第一开关一端连接至一参考电压，另一端连接至该光二极管，该操作方法特征在于其包括以下步骤：

施加一第一电压值于该光电闸；

导通该第一开关；

在一第一时间，截断该第一开关；

在一第二时间，降低施加于该光电闸的电压值；

在一第三时间，提高施加于该光电闸的电压值；以及

维持该第一开关的截断，至一第四时间。

2、根据权利要求1所述的影像感测单元的操作方法，其特征在于更包括：

在该第二时间，停止施加该第一电压值于该光电闸；以及

在该第三时间，施加一第二电压值于该光电闸。

3、根据权利要求2所述的影像感测单元的操作方法，其特征在于是将该第二电压值调整到等于该第一电压值。

4、根据权利要求1所述的影像感测单元的操作方法，其特征在于是在该第二时间，将施加于该光电闸的电压自该第一电压值调整为一第三电压值，其中该第三电压值小于该第一电压值。

5、根据权利要求4所述的影像感测单元的操作方法，其特征在于是在该第三时间时，将施加于该光电闸的电压自该第三电压值调整为一第二电压值，其中该第二电压值大于该第三电压值。

6、根据权利要求1所述的影像感测单元的操作方法，其特征在于更包括下列可能变化：

调整该第四时间，以改变该影像感测单元的动态感测范围；以及

藉由增加第四时间与第三时间之间的间隔，来减少该动态感测范围。

7、根据权利要求1所述的影像感测单元的操作方法，其特征在于更包括：

调整该第一电压值，以改变该影像感测单元的最大光感测量；以及

藉由增加第一电压值，以增加该最大光感测量。

8、一种影像感测装置，其特征在于其包括：

一影像感测单元，包括：

一光电闸；

一光二极管，其与该光电闸组合；

一第一开关，该第一开关的第一端连接至一参考电压，该第一开关的第二端连接至该光二极管的一端；

一源极追随器，该源极追随器的第一端连接至该参考电压，该源极追随器的控制端连接至该光二极管的另一端；以及

一第二开关，该第二开关的第一端连接至该源极追随器的第二端，该第二开关的第二端输出一输出电压；以及

一控制电路，耦接至该影像感测单元，该控制电路可以分别施加不同的电压值于该第一开关、该光二极管以及该第二开关。

9、根据权利要求8所述的影像感测装置，其特征在于其中所述的控制电路可以在不同时间，分别施加不同的电压值于该第一开关、该光二极管以及该第二开关。

10、根据权利要求8所述的影像感测装置，其特征在于其中所述的控制电路可以依序以下列步骤调整该第一开关、该光二极管与该第二开关的各自电压值：

施加一第一电压值于该光电闸，并导通该第一开关；

在一第一时间截断该第一开关，并开始让该光二极管被光线所照射；

在一第二时间停止施加该第一电压值于该光电闸；

在一第三时间施加一第二电压值于该光电闸，并维持该第一开关的截断至一第四时间，同时导通该第二开关，以输出该输出电压。

11、根据权利要求10所述的影像感测装置，其特征在于其中所述的控制电路是让该第一电压等于该第二电压，但不限制该第一电压与该第二电压二者与该参考电压之间的关系。

12、根据权利要求10所述的影像感测装置，其特征在于其中所述的控制电路至少可以调整下列之一：该第四时间、该第四时间与该第三时间的间隔、第一电压值以及该第二电压值。

13、根据权利要求8所述的影像感测装置，其特征在于其中所述的第一开关为晶体管，该源极追随器为晶体管，而该第二开关为晶体管。

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