TW201515464A - 影像感測裝置以及使用此影像感測裝置的光學導航裝置 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測裝置，包含感測像素以及控制電路。感測像素包含：電荷儲存元件；光感應元件，分別在第一、第二模式下產生具第一、第二光感應電荷數量的光感應電荷；以及開關元件，根據控制電壓決定該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量。控制電路產生該控制電壓，使得該第一模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第一電荷數量，而該第二模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第二電荷數量，其中該第一電荷數量和該第二電荷數量均小於該電荷儲存元件的最大電荷儲存數量。

Description

影像感測裝置以及使用此影像感測裝置的光學導航裝置
本發明有關於影像感測裝置以及使用此影像感測裝置的光學導航裝置，特別有關於可避免過曝的影像感測裝置以及使用此影像感測裝置的光學導航裝置。
習知的光學導航裝置(例如光學滑鼠或光學觸控裝置)都是以一光源產生光來照射物件(例如手指、觸控筆，或是光學導航裝置放置的表面)，然後以一影像感測裝置擷取包含物件影像的複數張圖框來計算出物件的位置。為了避免環境光的干擾而造成誤判，其中一種做法為將光源關閉而擷取一張圖框，然後再將光源打開擷取一張圖框，將兩張圖框相減便可計算出僅有光源光照射下的圖框，以增加判斷物件位置的精確度。影像感測裝置會包含多個感測像素，用以根據感測到的光產生影像感測訊號，而這些影像感測訊號經過後續處理後會產生前述的圖框。第1圖繪示了習知技術中部份感測像素結構的電路圖。如第1圖所示，感測像素100中會包含一光感應元件PD(例如光二極體)以及一電荷儲存元件C(例如電容)。光感應元件PD會根據接收到的光產生電荷而儲存在電荷儲存元件C中。
第2圖繪示了習知技術中，光源開啟時和關閉時，電荷儲存元件儲存光感應電荷的示意圖。如第2圖所示，在第1圖的光源LS關閉時，光感應元件PD根據環境光產生了光感應電荷數量CRe的光感應電荷(以白色圓圈表示)，這些光感應電荷會傳送至電荷儲存元件C並被儲存。而在第2圖的光源LS開啟時，光感應元件PD根據環境光以及光源LS發出的光源光而產生 了光感應電荷數量CRe+CRL的光感應電荷(因光源光而產生的光感應電荷以黑色圓點表示)，這些光感應電荷亦會傳送至電荷儲存元件C並被儲存。光源開啟和關閉的光感應電荷會分別被讀出而據以產生影像感測訊號，然後再據以產生圖框。而將這兩狀態下產生的圖框相減，便可得到僅有光源光時的圖框。
然而，當環境光太強時，就可能影響前述步驟的精確度。第3圖繪示了習知技術中，環境光過強而使得光感應電荷大於電荷儲存元件的最大電荷儲存數量(即所謂的過曝)的示意圖。如第3圖所示，當環境光相當強時，有可能使光感應元件PD根據環境光產生的光感應電荷(以白色圓圈表示)的電荷數量超出電容的最大電荷儲存數量。或者，光感應元件PD根據環境光產生的光感應電荷(以白色圓圈表示)的電荷數量未超出電容的最大電荷儲存數量，但根據環境光產生的光感應電荷加上根據光源光所產生的光感應電荷(以黑色圓點表示)的總電荷數量超出電容的最大電荷儲存數量。這兩種情形下，都無法得到正確的僅有光源光時的圖框。
因此，本發明一目的為提供一種影像感測裝置，其可避免習知技術中圖框過曝的問題。
本發明另一目的為提供一種光學導航裝置，其可利用未過曝的圖框計算出物件的相對位移。
本發明一實施例包含了一影像感測裝置，包含至少一感測像素以及一控制電路。感測像素包含：一電荷儲存元件；一光感應元件，在一第一模式下依據所接收的光量產生一第一光感應電荷數量的電荷，並在一第二模式下依據所接收的光量產生一第二光感應電荷數量的電荷，其中該第二光感應電荷數量大於該第一光感應電荷數量；以及一開關元件，根據一控制電壓決定該光感應元件能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量；以及一控制電路， 用以產生該控制電壓，使得該第一模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第一電荷數量，而該第二模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第二電荷數量，其中該第一電荷數量為該第一光感應電荷數量減去一第三電荷數量，該第二電荷數量為該第二光感應電荷數量減去該第三電荷數量；其中該第一電荷數量和該第二電荷數量均小於該電荷儲存元件的最大電荷儲存數量。此處的第三電荷數量是開關元件部份導通時，未流入電荷儲存元件的光感應電荷的數量，將在底下以圖示詳述。
本發明另一實施例揭露了一種光學導航裝置，包含了一影像感測裝置、一光源以及一處理單元。影像感測裝置於一第一模式下產生一第一影像感測訊號，而在一第二模式下產生一第二影像感測訊號，包含一感測像素以及一控制電路。感測像素包含；一電荷儲存元件；一光感應元件，在一第一模式下依據所接收的光量產生一第一光感應電荷數量的電荷，並在一第二模式下依據所接收的光量產生一第二光感應電荷數量的電荷，其中該第二光感應電荷數量大於該第一光感應電荷數量；一開關元件，根據一控制電壓決定該光感應元件能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量；以及一影像感測訊號產生電路，用以根據該電荷儲存元件中所儲存的該電荷產生一影像感測訊號；以及一控制電路，用以產生該控制電壓，使得該第一模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第一電荷數量，而該第二模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第二電荷數量，其中該第一電荷數量為該第一光感應電荷數量減去一第三電荷數量，該第二電荷數量為該第二光感應電荷數量減去該第三電荷數量；其中該第一電荷數量和該第二電荷數量均小於該電荷儲存元件的最大電荷儲存數量，而該影像感測訊號產生電路根據該第一電荷數量的該光感應電荷產生該第一影像感測訊號及根據該第二電荷數量的該光感應電荷產生該第二影像感測訊號。光源於第一模式下不發光，而在第二模式下提供佔該第二光量的至少一部份的光給該光感應元件。處理單元將第二影像感測訊號減去該第一影像感測訊號以計算 出該光學導航裝置相對於一物件的移動。控制電路可整合在處理單元中。
藉由前述的實施例，可避免習知技術中環境光過強而過曝的問題。而藉由回饋機制以及可自由設定控制電壓的機制，可讓感應像素中的開關有更適當的導通程度。
100‧‧‧感測像素
400、701、801‧‧‧影像感測裝置
401‧‧‧影像感測矩陣
402‧‧‧控制電路
403‧‧‧訊號讀取電路
405‧‧‧放大器
407‧‧‧類比數位轉換器
409‧‧‧回饋電路
411‧‧‧環境光感測裝置
501‧‧‧影像感測訊號產生電路
700‧‧‧光學導航裝置
703、803‧‧‧處理單元
SWR1、SWR2‧‧‧重置元件
C‧‧‧電荷儲存元件
PIX‧‧‧感測像素
PD‧‧‧光感應元件
SWT‧‧‧開關元件
T1、T2‧‧‧電晶體
LS‧‧‧光源
Sr‧‧‧表面
SR1、SR2、SRn‧‧‧訊號讀出單元
第1圖繪示了習知技術中部份感測像素結構的電路圖。
第2圖繪示了習知技術中，光源有開啟時和關閉時，電荷儲存元件儲存光感應電荷的示意圖。
第3圖繪示了習知技術中，環境光過強而使得光感應電荷大於電荷儲存元件的最大電荷儲存數量的示意圖。
第4圖和第5圖繪示了根據本發明實施例的影像感測裝置的電路圖。
第6圖繪示了第4圖所示的影像感測裝置的動作示意圖。
第7圖和第8圖繪示了根據本發明實施例的光學導航裝置的方塊圖。
第4圖和第5圖繪示了根據本發明實施例的影像感測裝置的電路圖。但請留意第4圖和第5圖的結構僅用以舉例，並非用以限定本發明。如第4圖所示，影像感測裝置400包含了影像感測矩陣401、控制電路402、訊號讀取電路403、放大器405以及類比數位轉換器407。影像感測矩陣401具有至少一感測像素PIX11-PIXnm。這些感測像素PIX11-PIXnm根據感測到的一影像產生至少一影像感測訊號IS11-ISnm。訊號讀取電路403用以讀出影像感測訊號IS11-ISnm。放大器405用以根據至少一放大參數將該影像感測訊號IS11-ISnm放大成一放大後影像感測訊號AIS11-AISnm。類比數位轉換器407用以將放大後影像感測訊號AIS11-AISnm轉換成數位放大後影像感測訊號DAIS11-DAISnm，這些數位後的影像感測訊號構成了圖框。但請留意影像感測 裝置400亦可不包含放大器405。此情況下類比數位轉換器407直接數位化影像感測訊號IS11-ISnm。控制電路402用以產生控制電壓CV給感測像素PIX11-PIXnm中至少其一。
第5圖繪示了較詳細的感測像素結構。如第5圖所示，根據本發明實施例的感測像素PIX包含了一電荷儲存元件C、一光感應元件PD以及一開關元件SWT。控制電路402產生的控制電壓CV會傳送至開關元件SWT的控制端，開關元件SWT會對應於控制電壓CV的值而決定有多少電荷能流至電荷儲存元件C。此外，感測像素PIX可更包含一重置元件SWR2，用以重置光感應元件PD。
第6圖繪示了第5圖所示的影像感測裝置的動作示意圖。如第6圖所示，當光源關閉時，感應元件PD會根據環境光產生第一光感應電荷數量CRPS1的光感應電荷(以白色圓圈表示)，當開關元件SWT未導通時，光感應電荷並不會流入電荷儲存元件C。而當開關元件SWT由控制電壓CV控制而部份導通時，會有一第三電荷數量CR3的光感應電荷未流入電荷儲存元件C，因此流入電荷儲存元件C的光感應電荷其數量為CRPS1-CR3(稱為第一電荷數量CR1)。當光源開啟時，感應元件PD會根據環境光以及光源光產生第二光感應電荷數量CRPS2的光感應電荷(根據光源的光產生的光感應電荷以黑色圓點表示)，其中第二光感應電荷數量CRPS2=第一光感應電荷數量CRPS1+光感應電荷增加量CRL。當開關元件SWT未導通時，光感應電荷並不會流入電荷儲存元件C。而當開關元件SWT由控制電壓CV控制而部份導通時，仍會有第三電荷數量CR3的光感應電荷未流入電荷儲存元件C，因此流入電荷儲存元件C的光感應電荷其數量為CRPS2-CR3(稱為第二電荷數量CR2)。將根據第二電荷數量CR2的光感應電荷產生的影像感測訊號減去根據第一電荷數量CR1的光感應電荷產生的影像感測訊號，便可得到僅根據光源光產生的影像感測訊號。然請留意的是，第六圖中下方的第三電荷數量CR3雖然均以白色圓點表示，其僅用以示意上下的第三電荷數量CR3是一致的，並非用以限 制下方未流入電荷儲存元件C必然都是原先的第一光感應電荷數量CRPS1的電荷其中的電荷。
於第6圖的實施例中，第一電荷數量CR1以及第二電荷數量CR2均小於電荷儲存元件C的最大電荷儲存數，因此不會有習知技術中環境光過強而造成過曝的問題。電荷儲存元件C也因此可以不需要大容量，如此可以減少電荷儲存元件C的成本和所佔的面積。若電荷儲存元件C本身已具有較大的容量，則藉由這樣的做法，亦可降低影像感測訊號的訊號雜訊比。詳細言之，在電荷儲存元件C的容量夠大的前提下，於習知技術的做法中，由於電荷會全流入電荷儲存元件C。因此根據光源光產生的光感應電荷會佔所有 電荷的，而在本發明的實施例中，根據光源光產生的光感應電荷會佔所 有電荷的。因此 根據本發明的做法，根據光源光產生的光感應電荷而產生的影像感測訊號會佔有較大的比例，故可提高影像感測訊號的訊號雜訊比。
請再回到第5圖，感測像素PIX可更包含一影像感測訊號產生電路501，用以根據電荷儲存元件C中所儲存的光感應電荷產生一影像感測訊號IS(即第4圖中影像感測訊號IS11-ISnm其中之一)。於一實施例中，影像感測訊號產生電路501包含一重置元件SWR1，用以重置電荷儲存元件C。除此之外，影像感測訊號產生電路501更包含電晶體T1和T2。訊號讀取電路403中的訊號讀出單元SR1、SR2、SRn均具有一儲能元件，當控制電路402以控制訊號CS使電晶體T2導通時，電荷儲存元件C中的光感應電荷將經由電晶體T1轉換成電壓，並儲存於訊號讀出單元SR1、SR2、SRn的儲能元件中。熟知此項技藝者當可了解第5圖中影像感測訊號產生電路501的詳細運作，故於此不再贅述。但請留意第5圖中影像感測訊號產生電路501的結構僅用以舉例，並非用以限定本發明。
請再參照第4圖，根據本案實施例的影像感測裝置400可更包含 一回饋電路409，可根據第一光感應電荷數量CRPS1或第二光感應電荷數量CRPS2與最大電荷儲存數量的關係提供回饋資訊給控制電路402以調整控制電壓。亦即調整第6圖中第三電荷數量CR3的值，使第一電荷數量CR1和第二電荷數量CR2不超出電荷儲存元件C的最大電荷儲存數量，但亦不會因為減去太多的第三電荷數量CR3而影響到正確的判斷結果。舉例來說，若第4圖中光源關閉時的第一電荷數量CR1已超出電容C的最大電荷儲存數量，則表示環境光太強，使得光源關閉的狀態下影像仍然過曝。此狀況下便須調整控制電壓CV，使得通過開關元件SWT的電荷數量變少(亦即第三電荷數量CR3變大)。如此可以讓第一電荷數量CR1不超出電容C的最大電荷儲存數量而不會有過曝的狀況。因此，控制電路402除了根據回饋電路409的資訊來調整控制電壓外，亦可根據環境光感測裝置411提供的環境光資訊ELP來提供控制電壓。此環境光感測裝置411用以感測環境光的強度並將相關資訊提供給控制電路402。此外，控制電路402亦可接收來自外部的一控制指令來調整該控制電壓，亦即可由廠商或使用者來自行設定。但請留意控制電路402、回饋電路409以及環境光感測裝置411不一定要跟影像感測矩陣401位在同一裝置中，這些元件可位於不同的裝置內。
請留意前述的影像感測裝置不僅適用在有光源的光學導航裝置上，亦可使用在其他裝置中。因此根據本案實施例的影像感測裝置可簡述如下：一種影像感測裝置包含至少一感測像素以及一控制電路。感測像素包含：一電荷儲存元件；一光感應元件，在一第一模式下依據所接收的光量產生一第一光感應電荷數量的電荷，並在一第二模式下依據所接收的光量產生一第二光感應電荷數量的電荷，其中該第二光感應電荷數量大於該第一光感應電荷數量；以及一開關元件，根據一控制電壓決定該光感應元件能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量；以及一控制電路，用以產生該控制電壓，使得該第一模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第一電荷數量，而該第二模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一 第二電荷數量，其中該第一電荷數量為該第一光感應電荷數量減去一第三電荷數量，該第二電荷數量為該第二光感應電荷數量減去該第三電荷數量；其中該第一電荷數量和該第二電荷數量均小於該電荷儲存元件的最大電荷儲存數量。
第7圖和第8圖繪示了根據本發明實施例的光學導航裝置的方塊圖。如第7圖所示，光學導航裝置700包含了一影像感測裝置701、一處理單元703以及一光源LS。光源LS將光投射到物件(此例中為手掌H)以產生多個圖框。影像感測裝置701用以擷取多個圖框，然後處理單元703根據這些圖框計算出手掌H的位置或手勢動作。影像感測裝置701包含了前述第5圖中的感測像素結構，並包含了控制電路根據前述的圖框計算方式來求得只有光源光的圖框，以使手掌H的位置或手勢動作的判斷更為精確。第8圖則繪示了一光學滑鼠800，其亦為光學導航裝置其中一種。如第8圖所示，光學滑鼠800包含了一影像感測裝置801、一處理單元803以及一光源LS。光源LS將光投射到物件(此例中為光學滑鼠800所放置的表面Sr)以產生多個圖框。影像感測裝置801用以擷取多個圖框，然後處理單元803根據這些圖框計算出光學滑鼠800相對應於表面Sr的移動。影像感測裝置801包含了前述第5圖中的感測像素結構，並利用控制電路根據前述的圖框計算方式來求得只有光源光的圖框，以使光學滑鼠800和表面Sr間的相對移動的計算更為精確。控制電路可整合於處理單元703、803中或獨立於處理單元703、803。而且，光學導航裝置700和光學滑鼠800亦可包含第4圖中的回饋電路409和環境光感測裝置411。
然請留意，本發明所提供的影像感測裝置可使用於各式光學導航裝置，並不限於第7圖和第8圖中所提供的光學導航裝置。因此運用了本發明所提供的影像感測裝置的光學導航裝置可簡述如下：一種光學導航裝置，包含了一影像感測裝置、一光源以及一處理單元。影像感測裝置於一第一模式下產生一第一影像感測訊號，而在一第二模式下產生一第二影像感測訊 號，包含一感測像素以及一控制電路。感測像素包含；一電荷儲存元件；一光感應元件，在一第一模式下依據所接收的光量產生一第一光感應電荷數量的電荷，並在一第二模式下依據所接收的光量產生一第二光感應電荷數量的電荷，其中該第二光感應電荷數量大於該第一光感應電荷數量；一開關元件，根據一控制電壓決定該光感應元件能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量；以及一影像感測訊號產生電路，用以根據該電荷儲存元件中所儲存的該電荷產生一影像感測訊號；以及一控制電路，用以產生該控制電壓，使得該第一模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第一電荷數量，而該第二模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第二電荷數量，其中該第一電荷數量為該第一光感應電荷數量減去一第三電荷數量，該第二電荷數量為該第二光感應電荷數量減去該第三電荷數量；其中該第一電荷數量和該第二電荷數量均小於該電荷儲存元件的最大電荷儲存數量，而該影像感測訊號產生電路根據該第一電荷數量的該光感應電荷產生該第一影像感測訊號及根據該第二電荷數量的該光感應電荷產生該第二影像感測訊號。光源於第一模式下不發光，而在第二模式下提供佔該第二光量的至少一部份的光給該光感應元件。處理單元將第二影像感測訊號減去該第一影像感測訊號以計算出該光學導航裝置相對於一物件的移動。控制電路可整合在處理單元中。
藉由前述的實施例，可避免習知技術中環境光過強而過曝的問題。而藉由回饋機制以及可自由設定控制電壓的機制，可讓感應像素中的開關有更適當的導通程度。
402‧‧‧控制電路
501‧‧‧影像感測訊號產生電路
SWR1、SWR2‧‧‧重置元件
C‧‧‧電荷儲存元件
PIX‧‧‧感測像素
PD‧‧‧光感應元件
SWT‧‧‧開關元件
T1、T2‧‧‧電晶體

Claims (14)

  1. 一種影像感測裝置，包含：至少一感測像素，包含；一電荷儲存元件；一光感應元件，在一第一模式下依據所接收的光量產生一第一光感應電荷數量的光感應電荷，並在一第二模式下依據所接收的光量產生一第二光感應電荷數量的光感應電荷，其中該第二光感應電荷數量大於該第一光感應電荷數量；以及一開關元件，根據一控制電壓決定該該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量；以及一控制電路，用以產生該控制電壓，使得該第一模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第一電荷數量，而該第二模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第二電荷數量，其中該第一電荷數量為該第一光感應電荷數量減去一第三電荷數量，該第二電荷數量為該第二光感應電荷數量減去該第三電荷數量；其中該第一電荷數量和該第二電荷數量均小於該電荷儲存元件的最大電荷儲存數量。
  2. 如請求項第1項所述的影像感測裝置，其中該電荷儲存元件的該最大電荷儲存數量大於該第二光感應電荷數量。
  3. 如請求項第1項所述的影像感測裝置，其中該感測像素更包含一影像感測訊號產生電路，用以根據該電荷儲存元件中所儲存的該光感應電荷產生一影像感測訊號。
  4. 如請求項第1項所述的影像感測裝置，更包含一回饋電路，根據該第一光 感應電荷數量或該第二光感應電荷數量與該最大電荷儲存數量的關係提供回饋資訊給該控制電路，以調整該控制電壓。
  5. 如請求項第1項所述的影像感測裝置，更包含一環境光感測裝置，用以感測環境光以產生一環境光參數，該控制電路根據該環境光參數來調整該控制電壓。
  6. 如請求項第1項所述的影像感測裝置，其中該控制電路接收來自外部的一控制指令來調整該控制電壓。
  7. 如請求項第1項所述的影像感測裝置，更包含一重置元件，耦接該光感應元件，用以根據一重置訊號重置該光感應元件。
  8. 一種光學導航裝置，包含；一影像感測裝置，於一第一模式下產生一第一影像感測訊號，而在一第二模式下產生一第二影像感測訊號，包含；一感測像素，包含；一電荷儲存元件；一光感應元件，在一第一模式下依據所接收的光量產生一第一光感應電荷數量的光感應電荷，並在一第二模式下依據所接收的光量產生一第二光感應電荷數量的光感應電荷，其中該第二光感應電荷數量大於該第一光感應電荷數量；一開關元件，根據一控制電壓決定該光感應元件能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量；以及一影像感測訊號產生電路，用以根據該電荷儲存元件中所儲存的該電荷產生一影像感測訊號；以及 一控制電路，用以產生該控制電壓，使得該第一模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第一電荷數量，而該第二模式下該光感應電荷能傳送至該電荷儲存元件的電荷數量為一第二電荷數量，其中該第一電荷數量為該第一光感應電荷數量減去一第三電荷數量，該第二電荷數量為該第二光感應電荷數量減去該第三電荷數量；其中該第一電荷數量和該第二電荷數量均小於該電荷儲存元件的最大電荷儲存數量，而該影像感測訊號產生電路根據該第一電荷數量的該光感應電荷產生該第一影像感測訊號及根據該第二電荷數量的該光感應電荷產生該第二影像感測訊號；以及一光源，於該第一模式下不發光，而在該第二模式下提供佔該第二光量的至少一部份的光給該光感應元件；一處理單元，將該第二影像感測訊號減去該第一影像感測訊號以計算出該光學導航裝置相對於一物件的移動。
  9. 如請求項第8項所述的光學導航裝置，其中該電荷儲存元件的該最大電荷儲存數量大於該第二光感應電荷數量。
  10. 如請求項第8項所述的光學導航裝置，更包含一回饋電路，根據該第一光感應電荷數量或該第二光感應電荷數量與該最大電荷儲存數量的關係提供回饋資訊給該控制電路，以調整該控制電壓。
  11. 如請求項第8項所述的光學導航裝置，更包含一環境光感測裝置，用以感測環境光以產生一環境光參數，該控制電路根據該環境光參數來調整該控制電壓。
  12. 如請求項第8項所述的光學導航裝置，其中該控制電路接收來自外部的一控制指令來調整該控制電壓。
  13. 如請求項第8項所述的光學導航裝置，其中該影像感測裝置更包含一重置元件，耦接該光感應元件，用以根據一重置訊號重置該光感應元件。
  14. 如請求項第8項所述的光學導航裝置，其中該控制電路整合於該處理單元中。
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