TW200808047A - Method of obtaining an image using an image sensor with a broad dynamic range - Google Patents

Description

200808047 (1) 九、發明說明 此申請案主張2 0 0 5年1 2月1 2曰申請之歐洲專利申 請案號〇 5 1 1 1 9 8 4 · 0，其最部揭露在此倂入作爲參考。 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於使用具有寬動態範圍的影像感測器取 得影像之方法。 【先前技術】 影像感測器可例如以CMOS型技術而輕易地製造而 得。此種CMO S影像感測器例如是用於可適合小尺寸可攜 式器具（如手錶）之拍照裝置。在由電池或蓄電池所供電的 這些器具中，必須降低各電子元件的電力消耗。因此，在 影像取得或處理運作的期間，必須使影像感測器消耗小量 的電力。 φ 由於目前的整合技術，此型的影像感測器於相同晶片 中包含由一組畫素所組成的感光單元，及進行影像取得運 作與讀取感光單元所拾取的資訊之處理元件。畫素典型上 係以列與行所配置的矩陣之形式而組成。矩陣佔據大部分 的感測器表面。爲了讀取矩陣的特定畫素，會定址對應的 列與行。因此，感測器傳統上包含耦接至矩陣列的列定址 電路，及耦接至矩陣行的輸出匯流排，此兩者皆由控制電 路所控制。 單元畫素的光偵測器元件可由用以拾取光子之半導體 200808047 (2) 基底的p-n接面電容所組成。這些接面電容一般稱爲光二 極體，其有與標準CMOS製程相容的優點。 於正常運作時，各光二極體係以例如是0與2V之間 的已知電壓而反相極化。光二極體所拾取的光子會使產生 電子電洞對的一個光二極體電容放電。這些電子電洞對係 由電容的相對電極所收集，於是降低感測器之預定動態電 壓範圍內的電容端點處之電壓帶隙。感測器的動態電壓範 I 圍小於光二極體極化電壓（例如等於1.5V)，然而此條件不 受限制。 矩陣的各畫素可具有與圖1的圖示相符之結構（其等 效於相同申請人的歐洲專利號1 1 2866 1之圖2Β的結構）， 其與圖2Β相關的說明及取得影像的方法在此係倂入作爲 參考。畫素1包含如反相極化的光二極體PD之光偵測器 元件、如電容C1的儲存裝置、及例如是nMOS型的五個 電晶體Ml至M5。在整合或曝光週期的期間，光二極體 φ 聚集光所產生的電子，而在取樣階段的期間，儲存裝置儲 存出現於光二極體PD的端點處之電壓値。 電晶體Μ1與光二極體係串聯連接於未顯示的電壓源 之高電力供應端VDD與低電力供應端Vss之間。根據習知 技術，在各整合或曝光週期的期間，由跨接其閘極端的初 始訊號TI所控制的此電晶體Μ 1會將光二極體PD初始化 或重設至預定電壓。 電晶體M2與電容C1係連接至電晶體Ml與光二極 體PD之間的連接節點。由取樣訊號SH所控制的此電晶 -6- 200808047 (3) 體M2將光二極體pd所累積的電荷取樣，且儲存電容中 所取樣的訊號。此電晶體M2也會使光二極體PD及電容 C 1隔離或不耦合。 電晶體M3與電容C 1係串聯連接於兩個電力供應端 VDD與Vss之間。根據習知技術，由重設或初始訊號RST 所控制的此電晶體M3會將電容初始化至預定電壓。 電晶體M4爲源極隨耦器，其閘極端係連接至電晶體 φ M3的源極端與電容C1的連接節點之間，且汲極端係連 接至高電力供應端VDD。電晶體M4係配置爲與電晶體 M5串聯，電晶體M5爲列選擇電晶體。在讀取程序的期 間，由列選擇訊號RSEL所控制的電晶體M5會將電晶體 M4的電壓轉移至一行中的所有畫素所共有的輸出匯流 排。 參照圖2，將說明使用影像感測器取得影像的習知方 法，而各畫素的結構係顯示於圖1中。圖2於是顯示用以 φ 使圖1的畫素結構運作之控制訊號TI、SH、RST及RSEL 的之進展時序圖，且其槪要地顯示光二極體PD之電壓 VPD的進展及跨接電容C1之電壓Vi的進展。 在第一初始或重設階段的期間，第一初始訊號TI及 第二初始訊號RST均會來到接近VDD的高正電壓。以此 方式，均會使各畫素的光二極體PD及電容C1重設至預 定重設電壓。取樣訊號SH係處於低位準，使得電晶體 M2不導通，這樣會使光二極體Pd及電容C1不耦合。同 樣地，列選擇訊號RSEL係處於低位準，使得列選擇電晶 200808047 (4) 體M5不導通。然後，光二極體PD與電容Cl所產生的電 壓VPD與Vi係處於實質上等於預定初始電壓的位準。 初始階段於時間11結束時，第一初始訊號TI會轉變 爲使電晶體Μ1不導通的低位準，這樣會啓動影像感測器 之光二極體PD的曝光或整合週期。經由照射的效應，光 二極體PD會開始以與各光二極體PD所接收到的光量成 比例地放電，如由tl與t3之間之電壓VPD的進展所顯 φ 示。初始訊號RST係保持於高位準狀態，以使電容C 1保 持於接近VDD的定電壓位準。 在預定曝光週期於時間t2之後，第二初始訊號RST 會轉變爲低位準，於是鬆開電容C 1中的記憶節點。然 後，取樣訊號SH大致上會轉變爲使電晶體M2導通的高 位準。這樣能使出現於光二極體PD上的電壓値被取樣且 儲存於電容C1中。於是推知電容C1的端點處之電壓 V i，如圖2中所顯示。於時間13，感測器的曝光週期結 φ 束。一電晶體M2不導通，各畫素的電容就使其記憶體中 的光二極體電壓値保持爲其照射的函數。 一旦電壓値已儲存於電容C1中，第一初始訊號TI會 再次來到使得各光二極體再次初始化爲實質上等於接近 VDD的初始電壓之電壓的位準。因此，感測器之各畫素的 電容中所儲存的取樣電壓不會因電荷載體擴散的現象而散 佈，使得出現於電容中的電壓保持不變。對於感測器之畫 素的各列而言，讀取電容中所儲存的電壓値之階段會連續 地發生於時間t4時。 200808047 (5) 於預定曝光週期中，當取得影像時，若各光二極體所 拾取的光子數愈高，則愈快地使光二極體電容放電。一般 而言，在儲存光二極體的照度之情況中，光二極體電容會 快速地放電至最小電壓値，此最小電壓値爲感測器之動態 電壓範圍的函數，其未繪示於圖2中。反之，在光二極體 之低或平均（中等）照度的情況中，光二極體電容端點處的 電壓會產生有關所拾取的影像之材料資訊。爲了取得有關 φ 以強與弱的照度所拾取的影像之材料資訊，於定義的曝光 週期結束時，感測器必須包含用以增加其動態電壓範圍的 裝置。 以此觀點，已採用用以增加影像感測器的動態範圍之 不同方法。其中一種方法包含例如是使用數位處理，以使 不同曝光時間時所取得的兩個影像合倂。因爲這樣需將影 像儲存於記憶體中，所以這樣會使用電路中的許多空間。 因此，這樣不能應用於能適用於小容量的器具之影像感測 φ 器。也可將許多電子元件加入影像感測器之感光單元的畫 素中，以增加動態範圍。然而在此情況中，這樣會顯著降 低畫素表面上的光聚集表面比率，這是缺點。 也可引用WO(世界專利組織）專利號2004/0643 86，其 揭露具有擴展感測器的動態範圍之轉移函數控制的影像感 測器。反相極化的光二極體係串聯連接至介於電源的兩端 點之間的Μ Ο S型初始或重設電晶體。此Μ Ο S電晶體最初 會將光二極體充電至接近電源的高電壓之第一預定初始電 壓。然後，此MOS電晶體與電荷儲存電容不會並聯連 -9- 200808047 (6) 接，以啓動光二極體的第一長曝光週期。就光二極體之照 度準位的函數而言’在第一曝光週期的期間，多少有些會 使電容快速地放電。若強烈地照射光二極體，電容可放電 的最大値爲藉由感測器的動態範圍所界定之最小電壓値。 第二光二極體初始運作係藉由處於比第一初始電壓低 的位準之MOS電晶體而達成。在光二極體的低照度之情 況中，第二初始運作對光二極體的電壓位準沒有影響。反 φ 之，在光二極體的強照度之情況中，光二極體的電壓位準 會初始化爲低於第一初始電壓的第二初始電壓。然後，此 MOS電晶體會再次不連接’以啓動光二極體的第二短曝 光週期。 在光二極體之不同曝光週期的期間，讀取電容中所累 積的電荷之運作係經由隨耦器電晶體的組件而達成。由於 至少光二極體的兩個曝光週期，所以可取得用於弱、平均 (中等）或強照射之光二極體的材料資訊，其有擴.展影像感 φ 測器的動態電壓範圍之效果。 WO 2004/0643 86中所採用之解決方式的缺點之一爲 直接將電荷儲存電容置於與光二極體並聯。因此，於每一 光二極體重設運作時，也會使電容初始化或重設至光二極 體的電壓位準。因此，必須進行讀取電容中的電壓値之許 多運作，其使各畫素所產生的資訊之處理複雜化。 也應該要注意的是，在各曝光週期之前，單一初始電 晶體係用來使光二極體初始化。因此，在不同光二極體初 始運作的期間，需將MOS電晶體的閘極電壓調整至不同 -10- 200808047 (7) 電壓位準，其會使影像感測器的製造複雜化。 【發明內容】 因此，本發明的主要目的爲提出使用簡單裝置之 態範圍影像感測器取得影像之方法，以取得克服習知 的上述缺點之處於任何位準的照度之良好對比的影像 外，當使用時，此取得影像的方法使影像感測器的電 φ 耗能降低至最小，使得可適用於小容量的器具，如手 因此，本發明係有關於一種使用上述型式之寬動 圍影像感測器取得影像之方法，其包含申請專利範圍 提及的特性。 有助益的實施例係界定於附屬申請專利範圍2至 此取得影像之方法的優點之一在於光二極體元件 初始運作係依據兩個不同電晶體的控制而達成。光二 元件的第二初始運作係藉由經由應用於其控制端之良 φ 定的控制電壓，而僅使第一初始電晶體運作而達成。 使第二初始電壓可用於光二極體元件（如反相極化光 體），第二初始電壓係低於第一初始電壓。 第二初始電壓可在用以將控制訊號傳送至第一電 的控制端之控制電路的許多位準之中，選擇一個電壓 而決定出來。控制電路的不同電壓位準係使用電阻分 而取得，電阻分壓器較佳包含介於各畫素之持續電壓 兩電力供應端之間之超過兩個串聯連接的電阻。電壓 的選擇係經由連接兩個相鄰電阻與第一電晶體的控制 寬動 技術 。此 力消 錶。 態範 1所 7 〇 的兩 極體 好界 這樣 二極 晶體 位準 壓器 源的 位準 端之 -11 - 200808047 (8) 連接節點的切換電晶體之命令而取得。 有助益的是’各光偵測器兀件（如光二極體）之第二曝 光週期的長度係遠短於第一曝光週期的長度，使得於強照 射的光二極體與弱照射的光二極體之兩個曝光週期的結束 時可取得資訊。較佳而言，第二曝光週期的長度係比第一 曝光週期的長度低20倍，這意謂可稱爲寬動態範圍影像 感測器。 【實施方式】 使用寬動態範圍影像感測器取得影像之方法之後將依 據如上述之圖1中所顯示的畫素結構而較佳做說明。在圖 1的實施例中，五個電晶體Ml至M5較佳爲以CMOS技 術所製造出來的nMOS電晶體。 第一初始電晶體Μ1的汲極端係連接至未顯示之持續 電壓源的高電力供應端VDD。電晶體Μ 1的源極端係連接 φ 至光偵測器元件，其爲連接至電壓源的低電力供應端vss 之反相極化光二極體PD。電晶體Μ 1的導通係由跨接於 其閘極端所施加的控制訊號ΤΙ所控制。控制訊號ΤΙ的高 電壓位準會調整爲之後參考圖4的解釋，當作感測器的感 光單元所取得之影像的一般照度位準之函數。 第二取樣電晶體M2的汲極端係連接至第一電晶體 Μ 1與光二極體PD的連接節點，而第二電晶體M2的源極 端係連接至用來當作儲存裝置之電谷C1的W點。此弟一 電晶體M2的導通係由跨接於其閘極端所施加的取樣訊號 -12- 200808047 (9) SH所控制。電容Cl可僅由經過記憶節點的高度處之半導 體基底的p-n接面所組成。 第二初始電晶體M3的汲極端係連接至高供應端 VDD，而其源極端係連接至電容C1的儲存節點。此第三 電晶體Μ 3的導通係由跨接於其閘極端所施加的控制訊號 RST所控制。 第四隨耦器電晶體Μ4的汲極端係連接至高供應端 φ V D D。電晶體Μ 4的閘極端係連接至電容c 1的儲存節點， 而其源極端係連接至電晶體Μ 5的汲極端。電晶體Μ 5的 源極端可供應跨接於感光單元之矩陣的一行中之所有畫素 所共有的輸出匯流排之輸出訊號OUTPUT。電容所儲存的 電壓位準係藉由使用跨接於其閘極端所施加的列選擇訊號 RSEL，使電晶體M5導通而讀取。 五個電晶體Μ 1至M5之所有的閘極端控制訊號係由 圖式中未顯示之影像感測器的微處理單元所控制。因爲此 φ 說明構成熟習此項技術領域之一般知識的一部分，所以此 不會提供有關訊號由微處理單元所處理之方式的任何資 訊。 應該要注意的是，此方法可以類似方式應用於任何其 他型式的畫素結構，此畫素結構包含另一型的五個電晶體 Ml至Μ5、光偵測器元件PD及儲存裝置C1之配置。電 晶體可爲PM0S電晶體，而光二極體PD可連接至電壓源 的高供應端VDD。也可設想爲如雙載子電晶體之其他型式 的電晶體。 -13- 200808047 (10) 然而，這些雙載子電晶體會耗費比圖1中所顯示的 MOS電晶體更高的電能。因此，其不適合用於製造可適 合小尺寸的可攜式器具（如手錶）之影像感測器。 在圖3中，使用寬動態範圍感測器取得影像之方法的 不同步驟現在將參考圖1的畫素結構做說明。爲了簡化取 得影像之方法的步驟之說明，各階段的不同時間週期不會 確切地顯示於圖3中。影像感測器的感光單元之光二極體 φ 的曝光週期一般會調整爲待測影像之平均照度位準的函 數。第一曝光週期可依據平均照度位準而界定於35//秒 與5秒之間。 於影像取得運作的啓始時，首先會使一般位於影像感 測器的畫素上之各光二極體及各電容初始化。爲了達成此 目的，取樣訊號SH，及第一初始控制訊號RST(其係分別 跨接於圖1中所顯示之電晶體M3及M2的閘極端而施力口 ) 係處於接近畫素之持續電壓供應源的高電壓VDD之高位準 φ 狀態。於此高位準狀態時，第二取樣電晶體及第三初始電 晶體係處於導通狀態。因此，接近VDD的第一初始電壓係 施加於光二極體上（如圖VPD所顯示），及施加於電容上 (如圖Vi所顯示）。在第一初始階段中，來自第一初始電 晶體Ml的閘極端之控制訊號TI係處於接近電壓源的低 電壓Vs s之低位準狀態，以使第一電晶體不導通。用以讀 取電容中所儲存的資訊之隨耦器電晶體M4及M5也處於 不導通狀態。 於時間11時，各光二極體的第一曝光週期開始。爲 -14- 200808047 (11) 了達成此目的，取樣訊號SH會轉變爲低位準狀態，以使 第二取樣訊號不導通，且使光二極體與電容不耦合。最初 以接近VDD的第一初始電壓所充電之第一初始電晶體會累 積場載體，亦即，拾取代表預定照度位準之某數量的光 子。因此，在第一曝光週期期間，光二極體係依據爲其照 度的函數之梯度而逐漸放電。 在強照度的情況中，於如藉由以電壓VPD的圖中之實 φ 線的曲線所顯示之第一曝光週期結束之前，光二極體會快 速地放電至動態範圍的最小電壓値。這代表光二極體的飽 和狀態，對於此而言，可觀察出來自強照射的畫素之資訊 的損失。然而，在弱或平均（中等）照度的情況中，於第一 曝光週期至的整個長度之期間，光二極體會逐漸放電，而 不會到達如虛線的曲線所顯示之最小電壓値。 第一曝光週期於時間t2結束時，對於經由單獨的圖1 之第一初始電晶體Μ 1的各光二極體而言，會進行第二重 φ 設或初始運作。此第一電晶體係以高於臨界電壓的飽和模 式運作。爲了達成此目的，初始訊號ΤΙ會轉變爲低於 VDD的電壓之高位準狀態，持續t2瞬間且直到時間t3之 非常短的時間區間。第二光二極體初始化之此非常短的時 間區間可防止空間資訊干擾進入所拾取的影像。可選擇使 第一電晶體導通的初始訊號TI之高位準狀態時的電壓位 準，如之後參考圖4所述。 若已知第一電晶體的閘極電壓係調整爲低於電壓VDD 的位準，則根據本發明的方法之主要特性，第二光二極體 -15- 200808047 (12) 初始電壓V2係界定爲低於接近VDD的第一初始電 此，光二極體的電壓位準會回到用於強烈或平均照 二極體之此第二電壓v2，如圖3中所顯示。然而 二極體的弱照度之情況中，電壓位準會保持爲高於 初始電壓V2。在t2至t3之短初始週期的期間，此 準會保持不變，但是由於部分朝著Vdd及部分朝著 體所注入之第一電晶體的通道中之正電荷，所以光 φ 的電壓位準會稍微增加。 各光二極體的第二曝光週期於時間t3開始， 一電晶體係因初始訊號TI轉變爲接近低電壓Vss 位狀態而不導通。從此瞬間，各光二極體係從第二 間所界定的電壓位準，以其照度位準的函數放電， 時間t5。第二曝光週期係界定爲遠短於第一曝光週 如是1 :20的比率，使得各強烈照射的光二極體不 最小的飽和電壓位準。此比率可界定於1 : 4與1 : φ 間。以此方式，可於強烈照射的光二極體及平均或 射的光二極體之兩曝光週期的結束時，可取得特定 因此，良好對比的影像可藉由由於根據本發明的方 何照度位準的影像感測器而取得。

在第二曝光週期期間，光二極體的電壓値VPD 存於電容中。爲了達成此目的，首先，初始訊號 係施加於第三電晶體的閘極端）於時間t4時，必須 準狀態轉變爲低位準狀態。因此，第三電晶體於E 時變成不導通，以使電容釋放先前保持之接近VDD 壓。因 射的光 ，在光 此第二 電壓位 光二極 二極體 其中第 的低準 初始期 且直到 期，例 會到達 100之 微弱照 資訊。 法之任 必須儲 RST(其 從筒位 寺間t4 的第一 -16- 200808047 (13) 初始電壓，如圖v 1中所顯示。然後，朝著時間t4與t5 之間的第二取樣週期之結束，必須使第二取樣電晶體短暫 地導通。取樣訊號SH(其係施加於第二電晶體的閘極端） 於是必須從低位準狀態短暫地轉變爲接近電壓Vdd的高位 準狀態。當第二電晶體處於導通狀態時，電荷會從光二極 體轉移至電容。一取樣訊號SH再次轉變爲低位準狀態， 這就可使光二極體的電壓値儲存於電容中。 | 在曝光週期的整個持續期間，各電容中所儲存的電壓 値會產生如藉由各光二極體所拾取的照度位準之函數的特 定資訊。由於此對應於寬動態範圍感測器的雙倍曝光，可 取得任意照度位準之良好對比的影像。 在讀取各電容中所儲存的電壓値之運作之前，各光二 極體於時間t5時，會再次初始化爲第二初始電壓。爲了 達成此目的，初始訊號TI會從低位準狀態轉變爲高位準 狀態，其電壓位準係調整爲低於VDD，以使第一電晶體導 φ 通。因此，各畫素之電容中所儲存的電壓値不會因電荷載 體擴散的現象而受到擾亂。因此，出現於電容中的電壓値 保持不變。 - 於時間t6，讀取各電容中所儲存的電壓値之運作會開 始。此讀取運作係依據也如歐洲專利號1 1 2866 1 (其與此 運作相關的說明在此係倂入作爲參考）所解釋的熟知技術 而達成。爲了達成此目的，在跨接圖1的各第五電晶體 M5之閘極端的讀取程序期間，會使用列並列的列選擇訊 號RSEL。在讀取運作期間，第一電晶體的初始訊號TI會 -17 - 200808047 (14) 來到低位準狀態，以使第一電晶體不導通。以此方式，在 讀取運作之後，可達成新的影像取得運作。 圖4顯示能將良好界定的初始訊號τΐ傳送至圖1的 畫素結構之第一初始電晶體的閘極端，以實施根據本發明 的方法之控制電路。施加至第一初始電晶體的閘極端而導 通之電壓必須調整爲低於接近VDD的第一初始電壓之値， 以在第二曝光週期之前，將光二極體重設或初始化。對於 φ 以0.25 // m的TSMC技術所製造的感測器而言，供應電壓 VDD例如是等於2.5 V。爲了達成此目的，此電路包含電阻 分壓器，其由介於供應端VDD與Vss之間的至少兩個串聯 連接的電阻所組成。在此例中，電阻分壓器包含5個串聯 連接的電阻R1至R5，各電阻的値係選擇爲具有許多很適 合於第二光二極體初始的持續電壓位準。 電阻R5的値可例如是等於四個電阻R1至R4(其每一 個具有相同値）的値之總和。在此情況中，對於等於2.5V φ 的供應電壓VDD而言，電阻R4與R5之間的連接節點處 之電壓（其係連接至nMOS型切換電晶體N4的汲極端）等 於1.25V。電阻R3與R4之間的連接節點處之電壓（其係 連接至nMOS型切換電晶體N3的汲極端）等於1.56V。電 阻R2與R3之間的連接節點處之電壓（其係連接至nMOS 型切換電晶體N2的汲極端）等於1.87V。最後，電阻R1 與R2之間的連接節點處之電壓（其係連接至nMOS型切換 電晶體N1的汲極端）等於2.18V。 電晶體Nl、N2、N3及N4的源極端係共同連接至第 -18- 200808047 (15) 一電晶體的閘極端，此未顯示於圖4中。根據影像感測器 的微處理單元中之習知進行的程式化，僅四個電晶體 Nl、N2、N3及N4中的其中之一係藉由跨接其閘極端的 控制訊號Sel 1、Sel 2、Sel 3或Sel 4所控制，以供應初 始訊號TI。 切換電晶體Nl、N2、N3或N4的各控制訊號Sel 1、 Sel 2、Sel 3或Sel 4係與第一電晶體的閘極端之控制訊 赢 號TI同形。當所選擇的切換電晶體Nl、N2、N3或N4之 9 控制訊號經由電子簡單化而處於接近VDD的高位準狀態 而使此切換電晶體導通時，出現於兩個電阻的連接節點處 之電壓（其係連接至所選擇的切換電晶體）會供應至第一電 晶體的閘極端。以此方式，光二極體的第一初始電晶體係 藉由控制電路的合適閘極電壓而輕易地導通，以取得光二 極體之第二想要的初始電壓。當所選擇的切換電晶體之控 制訊號係處於低位準狀態時，電阻Rss (其係連接至第一電 φ 晶體的閘極端與低電壓端VSS之間）能輕易地使第一電晶 體轉變成非導通狀態。 從剛才已做的說明中，在不脫離申請專利範圍所界定 之本發明的範圍之下，熟習此項技術者可設計出使用寬動 態範圍影像感測器取得影像的方法之多種變化。當進行使 用第三電晶體的第一初始化及使用第一電晶體的第二或接 下來的初始化時，超過各光二極體的兩個曝光週期可設想 爲取得影像。各光二極體的第二初始電壓可使用爲照度位 準的函數之控制電路，而輕易地從一影像改變成另一影 -19- 200808047 (16) 像。 【圖式簡單說明】 使用寬動態範圍影像感測器取得影像之方法的目的、 優點及特性將於參考圖式之底下說明中更清楚地顯現，其 中： 圖1(已引用）槪要地顯示用以實施根據本發明的方法 φ 之影像感測器畫素的已知結構； 圖2 (已引用）顯示時序圖，其繪示應用於圖1的畫素 結構之一串訊號，及儲存裝置與習知技術之光偵測器元件 的端點處之電壓； 圖3顯示時序圖，其繪示在至少兩個曝光週期的期 間，應用於圖1的畫素結構之一串訊號，及儲存裝置與根 據本發明的方法之光偵測器元件的端點處之電壓；以及 圖4顯示用以實施根據本發明的方法之影像感測器的 • 畫素之初始電晶體的控制電路。 【主要元件對照表】 1 :畫素 -20-

Claims (1)

1. 200808047 (1) 十、申請專利範圍 1. 一種使用寬動態範圍影像感測器取 法，該感測器係以CMOS型技術所製造而成， 括由一組畫素所組成的感光單元，各畫素包括 荷載體當作其照度準位的函數之光偵測器元件 至電壓源的兩供應端之間的該光偵測器元件之 晶體、能經由第二取樣電晶體而耦接至該光偵 φ 以儲存代表該光偵測器元件所累積的該電荷載 儲存裝置、串聯連接至該兩供應端之間的該儲 三初始電晶體、以及串聯連接的第四電晶體 體，該第四電晶體的一控制端係連接至該儲存 讀取該儲存裝置中所儲存的該電位，其中該方 列步驟： a) 控制該第二電晶體及該第三電晶體的導 一初始電壓施加於該光偵測器元件及該儲存裝 φ 該第一電晶體係處於非導通狀態； b) 中斷該第二電晶體的導通，以啓動第一 其中該光偵測器元件累積電荷載體當作照度準 數； c) 控制該第一電晶體的導通，以將第二初 於該光偵測器元件的端點，若該光偵測器元件 電位低於該第一曝光週期結束時的該第二初始 第二初始電壓低於該第一初始電壓； d) 中斷該第一電晶體的導通，以啓動 得影像之方 該感測器包 用以累積電 、串聯連接 第一初始電 測器元件， 體之電位的 存裝置之第 與第五電晶 裝置，用以 法包括一系 通，以將第 置的端點， 曝光週期， 位拾取的函 始電壓施加 的端點處之 電壓，則該 第二曝光週 -21 - 200808047 (2) 期，其中該光偵測器元件累積電荷載體； e) 在該第二曝光週期的期間，於中斷該第三電晶體的 導通之後，控制該第二電晶體的導通，以儲存該儲存裝置 中之該光偵測器元件的該電位；以及 f) 當該第二電晶體係處於非導通狀態時，藉由控制該 第四電晶體及該第五電晶體的導通，來讀取該儲存裝置中 所儲存的該電位。 φ 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中各畫素包括 當作光偵測器元件的反相極化畫素、當作儲存裝置的電容 及nMO S型的五顆電晶體，該第一電晶體、該第三電晶體 及該第四電晶體的一汲極端係連接至該電壓源的高供應 端，該第一電晶體的源極端係連接至光二極體的一端，該 第三電晶體的源極端係連接至該電容的記憶節點，該第二 電晶體的汲極端係連接至該第一電晶體與該光二極體之間 的連接節點，而該第二電晶體的源極端係連接至該電容的 φ 該記憶節點，其中於該方法的步驟a)，該第二電晶體的導 通係藉由跨接該第二電晶體的閘極端所施加之取樣訊號所 控制，其處於靠近該電壓源的高電壓之高準位狀態，而該 第三電晶體的導通係藉由跨接該第三電晶體的閘極端所施 加之第一初始訊號所控制，其處於靠近該電壓源的高電壓 之高準位狀態，其中於該方法的步驟c)，該第一電晶體的 導通係藉由跨接該第一電晶體的閘極端所施加之第二初始 訊號所控制，其處於適合低於該電壓源的高電壓之電位的 高準位狀態。 -22- 200808047 (3) 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中各畫素包括 用以將第二初始訊號傳送至電位適合處於高準位狀態的該 第一電晶體之控制電路，該控制電路包括具有介於該電壓 源的高供應端與低供應端之間的至少兩個串聯連接的電阻 之電阻分壓器，以及至少一切換電晶體，其汲極端係連接 至相鄰電阻的連接節點，而源極端係連接至該第一電晶體 的閘極端，該切換電晶體係藉由跨接其閘極端的控制訊號 φ 所控制，以使該電晶體導通或不導通，其中於該方法的步 驟c)，該第一電晶體的導通係藉由將兩相鄰電阻的連接節 點處所呈現之電壓經由該切換電晶體而施加於其閘極端， 而做控制，該切換電晶體係藉由靠近該電壓源的高電壓之 高準位狀態時的控制訊號而導通。 4 ·如申請專利範圍第3項之方法，其中該控制電路 包括由串聯連接於該電壓源的高供應端與低供應端之間的 五個電阻所組成之電阻分壓器，以及使兩相鄰電阻的各連 φ 接節點連接至該第一電晶體的閘極端之四個切換電晶體， 僅一個選擇到的切換電晶體係由控制訊號所控制，以將該 第二初始訊號傳送至該第一電晶體，其中於該方法的步驟 c)，該第一電晶體的導通係藉由依據先前取得的影像之平 均照度準位的量測，將兩相鄰電阻之選擇的連接節點處所 呈現之電壓經由該對應的切換電晶體而施加於其閘極端， 而做控制。 5 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中於步驟b)， 會中斷該第三電晶體的導通，以啓動該光偵測器元件的第 -23- 200808047 (4) 一曝光週期，該光偵測器元件爲光二極體。 6 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中在該方法的 步驟e)之後且步驟f)之前，該第一電晶體的導通會做控 制，以使爲光二極體的該光偵測器元件初始化爲低於該第 一初始電壓的該第二初始電壓，在讀取階段的部分持續時 間之期間，該第一電晶體保持導通狀態。 7 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中爲光二極體 的該光偵測器元件之該第一曝光週期的長度係界定爲該光 0 二極體之該第二曝光期間的長度之4至1 0 0倍之間，較佳 爲20倍。

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