TW201629444A - 用於影像感測器之感光單元及其感光電路 - Google Patents

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Abstract

一種感光單元，用於一影像感測器之一感光電路，該感光單元包含有一第一感光元件，用來感測光線以取得一感光結果，並據以產生複數個載子；一第一浮動端點，用來接收並儲存該第一感光元件所產生之該複數個載子；以及至少一耦合元件，用來將該第一浮動端點耦合至至少一第二浮動端點，並將該第一浮動端點所儲存之該複數個載子中的部分載子傳送至該至少一第二浮動端點，以儲存於該至少一第二浮動端點。

Description

用於影像感測器之感光單元及其感光電路
本發明係指一種感光單元及其感光電路，尤指一種可在影像感測器中同時實現高訊噪比、高感光度及高動態範圍之感光單元及其感光電路。
影像感測器是一種將光學影像轉換為電子訊號的裝置，其廣泛地應用於各種電子產品，如數位相機、醫學影像產品、安全監控設備、影像電話等。目前市面上的影像感測器大致可分為感光耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)影像感測器及互補式金氧半(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)影像感測器兩種。隨著積體電路製程技術的進步，互補式金氧半影像感測器已逐漸取代感光耦合元件影像感測器成為影像感測器市場的主流。
根據畫素中的電路結構，互補式金氧半影像感測器可分為被動式像素感測器(Passive Pixel Sensor，PPS)及主動式像素感測器(Active Pixel Sensor，APS)，其差別在於主動式像素感測器的訊號需經過主動元件再傳送至後端電路。主動式像素感測器又因為電晶體數目多寡而具有不同架構，例如3T架構(具有3個電晶體)或4T架構(具有4個電晶體)。互補式金氧半影像感測器進行影像感測的方式為，在每一畫素中透過感光元件進行感光之後，感光元件會產生對應於感測到的光線強度的載子，並將載子傳送至一浮動端點，再由後端電路讀取浮動端點上的載子量，以取得感光結果。
「動態範圍(dynamic range)」是現階段互補式金氧半影像感測器發展上的最大瓶頸。由於人眼所能接受的動態範圍高達200dB以上，但市面上多數互補式金氧半影像感測器皆無法達到此要求，因此動態範圍的提升已成為影像感測器製造商努力的方向。一種常見的提高動態範圍的方式為採用多重曝光的方式，但此方式受限於感光元件內載子傳輸效率與輸出電路的可讀取訊號範圍，無法同時具備高訊噪比(Signal-to-Noise Radio，SNR)及高感光度之效能。另一種提高動態範圍的方式為加大電容，此方式雖可達到高訊噪比，但動態範圍的提升需伴隨著感光面積的取捨，亦即，若欲取得高動態範圍，必然會犧牲大量感光面積，而無法同時取得高感光度。有鑑於此，實有必要提出一種可同時實現高動態範圍、高感光度及高訊噪比之影像感測器。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於影像感測器之感光單元及其感光電路，使得影像感測器可同時具備高動態範圍、高感光度及高訊噪比之特性。
本發明揭露一種感光單元，用於一影像感測器之一感光電路，該感光單元包含有一第一感光元件，用來感測光線以取得一感光結果，並據以產生複數個載子；一第一浮動端點，用來接收並儲存該第一感光元件所產生之該複數個載子；以及至少一耦合元件，用來將該第一浮動端點耦合至至少一第二浮動端點，並將該第一浮動端點所儲存之該複數個載子中的部分載子傳送至該至少一第二浮動端點，以儲存於該至少一第二浮動端點。
本發明另揭露一種感光電路，用於一影像感測器。該感光電路包含有一第一感光元件，用來感測光線以取得一感光結果，並據以產生複數個 載子；一第一浮動端點，用來接收並儲存該第一感光元件所產生之該複數個載子；一傳輸開關，耦接於該第一感光元件與該第一浮動端點之間，於開啟時傳送該第一感光元件所產生之該複數個載子至該第一浮動端點；至少一耦合元件，用來將該第一浮動端點耦合至至少一第二浮動端點，並將該第一浮動端點所儲存之該複數個載子中的部分載子傳送至該至少一第二浮動端點，以儲存於該至少一第二浮動端點；一重置開關，耦接於該第一浮動端點，於開啟時清除位於該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點上的該複數個載子；以及一輸出單元。該輸出單元包含有一選擇開關，受控於該影像感測器之一輸出電路，於開啟時用來選擇接收該感光結果；以及一輸出元件，用來於該選擇開關開啟時，將儲存於該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點之該複數個載子轉換為一電子訊號，並將該電子訊號傳送至該輸出電路，使該輸出電路藉由該電子訊號讀取該感光結果。
PD、PD_0、PD_1、PD_2‧‧‧感光元件
FN、FN(A)、FN(B)、FN_0、FN_1、FN_2‧‧‧浮動端點
102、102_0、102_1、102_2‧‧‧傳輸開關
104、104_0、104_1、104_2‧‧‧重置開關
106‧‧‧輸出單元
108、108_0、108_1、108_2‧‧‧選擇開關
110、110_0、110_1、110_2‧‧‧輸出元件
CR、CR_0、CR_1、CR_2‧‧‧載子
VS、VS_0、VS_1、VS_2‧‧‧電子訊號
V1、V2‧‧‧電壓訊號
40、LS_0、LS_1、LS_2、1100、A、B、C、D、E、F‧‧‧感光電路
CP_A、CP_B、CP_0、CP_1、CP_2、CP_3‧‧‧耦合元件
TX(n-1)、TX(n)、TX(n+1)‧‧‧傳輸控制訊號
RST(n-1)、RST(n)、RST(n+1)‧‧‧重置訊號
RSL(n-1)、RSL(n)、RSL(n+1)‧‧‧選擇訊號
HDR_A(n-2)、HDR_A(n-1)、 HDR_A(n)、HDR_A(n+1)‧‧‧耦合控制訊號
t1、t2、t3‧‧‧期間
t1_1、t1_2、t3_1、t3_2‧‧‧時間
CTRL_A、CTRL_B‧‧‧控制元件
HDR_H(n-1)、HDR_H(n)、HDR_H(n+1)、HDR_H1、HDR_H2‧‧‧水平控制訊號
HDR_V(m)、HDR_V1、HDR_V2、HDR_V3‧‧‧垂直控制訊號
1202‧‧‧水平控制電路
1204‧‧‧垂直控制電路
第1A圖及第1B圖為一般4T架構之互補式金氧半影像感測器之感光電路之示意圖。
第2A圖、第2B圖及第2C圖為第1A圖之互補式金氧半影像感測器中載子轉移之示意圖。
第3A圖、第3B圖及第3C圖為第1A圖之互補式金氧半影像感測器中載子轉移之示意圖。
第4圖為本發明實施例影像感測器中對應於一畫素之感光電路之示意圖。
第5圖描述不同感光電路中的浮動端點透過耦合元件進行共享的電路結構。
第6圖至第10圖為本發明實施例感光電路運作之波形示意圖。
第11A圖及第11B圖為本發明實施例另一影像感測器之感光電路之示意圖。
第12圖為本發明實施例在一影像感測器上的畫素陣列中，藉由水平控制訊號及垂直控制訊號控制耦合元件啟閉之示意圖。
請參考第1A圖及第1B圖，第1A圖及第1B圖為一4T架構之互補式金氧半(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)影像感測器之感光電路之示意圖，其中，第1A圖繪示單一畫素之感光電路結構，第1B圖則繪示多個感光電路在影像感測器上排列之結構。如第1A圖所示，在影像感測器中，對應於一畫素之感光電路包含有一感光元件PD、一浮動端點FN、一傳輸開關102、一重置開關104及一輸出單元106。感光元件PD可為一感光二極體(Photodiode)或其它具有光電轉換功能之元件，可用來感測光線以取得一感光結果，並據以產生複數個載子CR。浮動端點FN可用來接收感光元件PD所產生之載子CR，其具有電容以用來儲存載子CR。傳輸開關102耦接於感光元件PD與浮動端點FN之間，當傳輸開關102開啟時，感光元件PD所產生的載子CR可傳送至浮動端點FN。重置開關104耦接於浮動端點FN，當重置開關104開啟時，可清除位於浮動端點FN上的載子CR。輸出單元106包含有一選擇開關108及一輸出元件110。選擇開關108係受控於影像感測器之輸出電路，即輸出電路可開啟一感光電路的選擇開關108，來選擇接收對應於該感光電路之畫素的感光結果。接收感光結果的方式則透過輸出元件110上訊號的判讀，亦即，輸出元件110可將儲存於浮動端點FN之載子CR量轉換為一電子訊號VS，當選擇開關108開啟時，輸出元件110再將電子訊號VS傳送至影像感測器之輸出電路，使輸出電路藉由電子訊號VS來讀取感光結果。
在第1B圖中，影像感測器上多個畫素所對應的感光電路係以陣列方式排列，需注意的是，第1B圖僅為排列方式的示意圖，實際排列的感光電路數量可能遠大於第1B圖所示，如三百萬、五百萬或數千萬個畫素以上。其中，每一行感光電路之輸出單元耦接至相同輸出端，而控制訊號依序控制每一列感光電路的選擇開關開啟，以依序取得相對應畫素的感光結果。
請參考第2A圖、第2B圖及第2C圖，第2A圖、第2B圖及第2C圖為第1A圖之互補式金氧半影像感測器中載子CR轉移之示意圖，其繪示浮動端點FN之電容較大的情況下，載子CR轉移的狀態。一般來說，載子CR轉移時，會從高位能處移動至低位能處。如第2A圖所示，感光元件PD進行光感測而產生載子CR，此時傳輸開關102關閉，因此載子CR儲存在感光元件PD中。接著，如第2B圖所示，傳輸開關102開啟，使得載子CR經由傳輸開關102傳送至位能較低的浮動端點FN，由於浮動端點FN具有較大的電容，使得感光元件PD中所有載子CR皆可轉移至浮動端點FN。接著，如第2C圖所示，當傳輸開關102關閉時，輸出電路即可讀取浮動端點FN上的電壓訊號V1。在上述情況下，由於浮動端點FN之電容較大，使得轉換而得的電壓訊號V1較小，當感光元件PD之曝光量小時，可能造成電壓訊號V1過小，需在後端電路增加額外的增益，因而可能混入額外的雜訊，使訊噪比(Signal-to-Noise Radio，SNR)降低。除此之外，為了在浮動端點FN上設置較大的電容，往往需要增加佈局(Layout)面積，或在金屬層上增加寄生電容，此二種方式皆會犧牲感光元件PD的感光面積，進而降低感光度。
請參考第3A圖、第3B圖及第3C圖，第3A圖、第3B圖及第3C圖為第1A圖之互補式金氧半影像感測器中載子CR轉移之示意圖，其繪示浮動端點FN之電容較小的情況下，載子CR轉移的狀態。如第3A圖所示，感光元件PD進行光感測而產生載子CR，此時傳輸開關102關閉，因此載子 CR儲存在感光元件PD中。接著，如第3B圖所示，傳輸開關102開啟，使得載子CR經由傳輸開關102傳送至位能較低的浮動端點FN，由於浮動端點FN具有較小的電容，使得感光元件PD中的載子CR無法完全轉移至浮動端點FN。接著，如第2C圖所示，當傳輸開關102關閉時，輸出端即可讀取浮動端點FN上的電壓訊號V2。在上述情況下，由於浮動端點FN之電容較小，傳送至浮動端點FN的載子CR可對應至較大的電壓訊號V2。然而，由於感光元件PD的載子CR無法完全傳送至浮動端點FN，使得最大訊噪比及動態範圍(dynamic range)受限於浮動端點FN上的電容大小而降低。其中，最大訊噪比為浮動端點FN儲存的載子量達到最大的情況下之訊噪比，其最佳值等於10×log(m/n)，其中，m表示浮動端點上的最大儲存載子量，n表示讀取的訊號雜訊；而動態範圍最佳值等於20×log(m/p)，其中，m表示浮動端點上的最大儲存載子量，p表示暗態時的讀取雜訊。在此情況下，即使再增加感光元件PD內的載子儲存量，仍然無法提升最大訊噪比及動態範圍。
為改善上述問題，習知技術往往在浮動端點加上外接電容，並透過開關來調整電容大小。然而，由於影像感測器上每一畫素皆需要大量的電容，在每一浮動端點皆外接電容的情況下，所耗費的面積十分龐大。另一方面，習知技術提升動態範圍的方式則是採用多重曝光的方式，然而，即使感光元件內部的載子量可透過多重曝光來提升，但在浮動端點有限的電容容量之下，能夠傳送至浮動端點的載子量仍相同，無法有效提升最大訊噪比及動態範圍。
請參考第4圖，第4圖為本發明實施例影像感測器中對應於一畫素之感光電路40之示意圖。感光電路40之結構相似於第1A圖之感光電路之結構，故功能相同的訊號或模組皆以相同符號表示。本發明之感光電路40與第1A圖之感光電路的主要差異在於，感光電路40另包含耦合元件CP_A 及CP_B。耦合元件CP_A及CP_B可將感光電路40中的浮動端點FN耦合至影像感測器中其它感光電路的浮動端點(如FN(A)及FN(B))，以將浮動端點FN所儲存之部分載子CR傳送至浮動端點FN(A)及FN(B)，使浮動端點FN(A)及FN(B)的電容可用來儲存部分載子CR。換句話說，在影像感測器中，感光電路中的浮動端點電容值可由不同畫素中所對應的浮動端點數量來任意調整，以提升各感光電路的載子儲存能力，進而在不增加佈局面積且不影響感光度的情況下，提升動態範圍及最大訊噪比。
在感光電路40中，載子或訊號的轉移是由各個開關(即傳輸開關102、重置開關104、選擇開關108及耦合元件CP_A及CP_B)進行控制。當感光元件PD進行感光並產生載子CR之後，藉由傳輸開關102的開啟，可將感光元件PD內的載子CR轉移至浮動端點FN。接著，藉由耦合元件CP_A及CP_B的開啟，部分載子CR可分別傳送至浮動端點FN(A)及FN(B)，並加以儲存。當輸出電路欲取得感光電路40中的電子訊號VS時，可開啟選擇開關108以進行訊號讀取。在讀取完畢以後，可控制重置開關104開啟，以清空浮動端點FN、FN(A)及FN(B)上的載子，再進行下一階段的感光及訊號讀取流程。此外，清空浮動端點FN、FN(A)及FN(B)上載子的運作亦可在載子CR轉移至浮動端點FN之前進行，而不限於此。
更明確來說，當傳輸開關102開啟時，感光元件PD與浮動端點FN之間的路徑導通，載子CR會從感光元件PD轉移至浮動端點FN。控制端可選擇是否開啟耦合元件CP_A及CP_B，當耦合元件CP_A及CP_B開啟時，部分載子CR再從浮動端點FN轉移至浮動端點FN(A)及FN(B)。接著，輸出單元106可根據浮動端點FN的電位，在選擇開關108開啟時輸出電子訊號VS。在輸出單元106的架構之下，電子訊號VS係以電壓訊號的形式傳送至影像感測器之輸出電路。詳細來說，輸出元件110可為一N型金氧半場效電 晶體(N-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，NMOS)所構成的放大器，根據浮動端點FN的電容大小以及儲存的載子量，放大器之閘極會產生一電壓訊號，放大器再將閘極電壓訊號耦合至源極。當選擇開關108開啟時，此源極電壓訊號再經由選擇開關108輸出，即為電子訊號VS。在電子訊號VS輸出之前，重置開關104會開啟，以清空浮動端點FN、FN(A)及FN(B)上的載子。在此例中，重置開關104之一端耦接於浮動端點FN，另一端耦接於一電源端，載子CR為電子。當重置開關104開啟時，浮動端點FN、FN(A)及FN(B)上的載子CR會轉移至電源端，使浮動端點FN、FN(A)及FN(B)達到電源端的電位(即清空載子CR)。在其它實施例中，載子CR可能是電子、電洞或任何可隨著電路特性漂移而產生訊號的載子。
值得注意的是，根據感光電路40的結構，載子CR除了能夠儲存在浮動端點FN所包含的電容中，亦能夠儲存在浮動端點FN(A)及FN(B)所包含的電容中，相較於習知技術中影像感測器之每一感光電路中載子只能儲存在其所對應的浮動端點(如FN)及電容，在本發明中，除了浮動端點FN之外，可藉由耦合元件將載子儲存在更多浮動端點(如FN(A)及FN(B))上的電容，以提升儲存載子的能力，進而提升影像感測器之最大訊噪比及動態範圍。
除此之外，由於浮動端點FN(A)及FN(B)並非額外增加的端點，而是影像感測器中位於其它感光電路的浮動端點，因此不需要增加額外的面積，即可達到儲存載子能力的提升，可避免習知技術中，增加額外電容而造成感光元件開口面積減少的缺點。
值得注意的是，影像感測器之使用者可藉由控制耦合元件CP_A及CP_B的開啟與否，在影像感測器中同時實現高動態範圍及高靈敏度。也 就是說，在不同環境光強度之下，使用者可選擇將影像感測器及其感光電路40操作在高動態範圍之操作模式或高靈敏度之操作模式。舉例來說，在四周環境光線較強的情況下，使用者可選擇將影像感測器及其感光電路40操作在高動態範圍操作模式。在此情況下，由於環境光較強，感光元件PD會產生數量較多的載子CR，因此使用者可選擇開啟耦合元件CP_A及CP_B，使得浮動端點FN耦合至浮動端點FN(A)及FN(B)，進而使浮動端點FN及浮動端點FN(A)、FN(B)上的電容皆可用來儲存載子CR。如此一來，浮動端點將具有較大電容來容納較多的載子CR。另一方面，在四周環境光線較弱的情況下，使用者可選擇將影像感測器及其感光電路40操作在高靈敏度操作模式。在此情況下，由於環境光較弱，感光元件PD會產生數量較少的載子CR，因此使用者可選擇關閉耦合元件CP_A及CP_B，使得載子CR僅儲存在浮動端點FN。如此一來，用來儲存載子CR的電容較少，使得少數載子CR即可讓浮動端點FN出現明顯的電子訊號VS，進而提升光電轉換的靈敏度，不需要後端電路再進行放大，可避免後端電路將電子訊號VS放大時造成訊噪比下降的缺點。
在一實施例中，使用者可分別根據各感光電路的感光結果，來決定每一畫素所對應之感光電路應操作在高動態範圍操作模式或高靈敏度操作模式，亦即，影像感測器可根據感光需求，同時實現高動態範圍及高靈敏度的功能。舉例來說，使用者可設定對應於載子數量之一臨界值，當一感光元件進行光感測而產生之載子數量大於臨界值時，可控制該感光元件所對應的感光電路進行高動態範圍操作模式，並開啟相對應之耦合元件。另一方面，當一感光元件進行光感測而產生之載子數量小於臨界值時，可控制該感光元件所對應的感光電路進行高靈敏度操作模式，並關閉相對應之耦合元件。舉例來說，耦合元件之控制電路可根據一畫素在前一次進行光感測時產生的載子數量，決定該畫素應操作在高動態範圍操作模式或高靈敏度操作模式，亦 即，決定是否開啟相對應的耦合元件。
請參考第5圖，第5圖詳細描述了不同感光電路中的浮動端點透過耦合元件進行共享的電路結構。需注意的是，為求簡潔，第5圖僅繪示出同一行中三個感光電路LS_0、LS_1及LS_2，但實際上，在影像感測器中，畫素是以陣列方式排列，因此相對應的感光電路也是以陣列方式排列，且排列的數量可能遠大於第5圖所示，如三百萬、五百萬或數千萬個。以感光電路LS_1為例，若欲取得感光電路LS_1之感光結果，可在傳輸開關102_1開啟之前，同時開啟耦合元件CP_1及CP_2，使得感光元件PD_1之載子CR_1可同時儲存在浮動端點FN_0、FN_1及FN_2中的電容。在一般運作情況下，對應於感光元件PD_0的浮動端點FN_0是用於接收並儲存感光元件PD_0的載子CR_0，而對應於感光元件PD_2的浮動端點FN_2是用於接收並儲存感光元件PD_2的載子CR_2。當輸出電路讀取感光電路LS_1之感光結果時，浮動端點FN_0及FN_2皆可用來支援感光電路LS_1，以提升載子CR_1的儲存能力。值得注意的是，影像感測器取得感光結果的方式是一列一列畫素依序進行讀取，亦即，位於不同列的畫素會在不同時間點進行感光結果的讀取。因此，透過耦合元件的連接，一浮動端點可用於位於不同列的畫素及其感光電路，而不影響該浮動端點所在位置之感光電路的感光結果。在第5圖中，每一耦合元件皆連接於位於相鄰兩列感光電路的浮動端點之間，但在其它實施例中，耦合元件亦可能連接非相鄰兩列感光電路的浮動端點，而不限於此。
值得注意的是，為求簡潔，第4圖及第5圖中的傳輸開關、重置開關、選擇開關及耦合元件皆以單一電晶體來表示，但在本發明之實施例中，任何開關或耦合元件皆可由單一電晶體或多個電晶體所構成，而不限於此。其中，單一電晶體的實施方式可包含一N型金氧半場效電晶體、一P型金氧 半場效電晶體(P-type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，PMOS)或其它類型之電晶體，而多個電晶體的實施方式可包含一傳輸閘(transmission gate)。
第6圖至第10圖係根據第5圖之電路結構，藉由訊號波形詳細描述感光電路LS_0、LS_1及LS_2的運作，其繪示的波形包括：分別用來控制傳輸開關102_0、102_1及102_2的傳輸控制訊號TX(n-1)、TX(n)及TX(n+1)，分別用來控制重置開關104_0、104_1及104_2的重置訊號RST(n-1)、RST(n)及RST(n+1)，分別用來控制選擇開關108_0、108_1及108_2的選擇訊號RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)，以及分別用來控制耦合元件CP_0、CP_1、CP_2及CP_3的耦合控制訊號HDR_A(n-2)、HDR_A(n-1)、HDR_A(n)及HDR_A(n+1)。其中，耦合元件CP_1耦接於浮動端點FN_0及FN_1之間，耦合元件CP_2耦接於浮動端點FN_1及FN_2之間，耦合元件CP_3則耦接於浮動端點FN_2及另一浮動端點(未繪示)之間，浮動端點FN_0亦透過耦合元件CP_0耦接於其它浮動端點(未繪示)。需注意的是，上述每一開關或耦合元件皆以一N型金氧半場效電晶體來實現，因此控制訊號位於低電位時可關閉上述開關或耦合元件，位於高電位時則開啟。
請參考第6圖，第6圖為本發明實施例感光電路運作之波形示意圖。如第6圖所示，感光電路LS_0、LS_1及LS_2採用一般運作方式，即每一感光電路LS_0、LS_1及LS_2只採用自身的浮動端點FN_0、FN_1及FN_2上的電容來儲存載子。詳細來說，輸出電路依序在t1、t2及t3期間內從感光電路LS_0、LS_1及LS_2取得電子訊號VS_0、VS_1及VS_2，因此，選擇訊號RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分別在t1、t2及t3期間分別控制選擇開關108_0、108_1及108_2開啟，其它時間則關閉。由於每一感光電路LS_0、LS_1及LS_2只採用自身的浮動端點FN_0、FN_1及FN_2來儲存載子，因 此耦合控制訊號HDR_A(n-2)、HDR_A(n-1)、HDR_A(n)及HDR_A(n+1)皆持續位於低電位，以控制耦合元件CP_0、CP_1、CP_2及CP_3關閉。在t1期間，選擇訊號RSL(n-1)控制選擇開關108_0開啟，以取得感光電路LS_0的感光結果(即電子訊號VS_0)。其中，重置訊號RST(n-1)先開啟重置開關104_0一段時間(時間t1_1)，以清除位於浮動端點FN_0上的載子。接著，在重置開關104_0關閉之後，傳輸控制訊號TX(n-1)控制傳輸開關102_0開啟(時間t1_2)，使載子CR_0被傳送至浮動端點FN_0，以進行儲存。此時，由於選擇開關108_0已開啟，影像感測器之輸出電路可根據浮動端點FN_0上的載子CR_0量及電容大小，取得對應於輸出元件110_0之閘極電壓的電子訊號VS_0。在此例中，所有耦合元件CP_0、CP_1、CP_2及CP_3皆關閉，使得每一感光電路僅使用自身的浮動端點上的電容來儲存載子，在此情況下，用於儲存載子的電容較小，使得影像感測器具有良好的光電轉換靈敏度，可應用於四周環境光線較弱的情況。除此之外，在第6圖中，影像感測器之輸出電路可在t2及t3期間透過相同方式分別取得電子訊號VS_1及VS_2。本領域具通常知識者可根據上述說明，推知影像感測器在t2及t3期間的運作，於此不贅述。
請參考第7圖，第7圖為本發明另一實施例感光電路運作之波形示意圖。如第7圖所示，感光電路LS_0、LS_1及LS_2在運作時，各採用二個浮動端點上的電容來儲存載子。詳細來說，輸出電路依序在t1、t2及t3期間內從感光電路LS_0、LS_1及LS_2取得電子訊號VS_0、VS_1及VS_2，因此，選擇訊號RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分別在t1、t2及t3期間分別控制選擇開關108_0、108_1及108_2開啟，其它時間則關閉。在每一感光電路LS_0、LS_1及LS_2進行運作時，除了採用自身的浮動端點FN_0、FN_1及FN_2來儲存載子之外，另採用位於讀取順序前一列的感光電路中的浮動端點。亦即，感光電路LS_1另採用浮動端點FN_0來儲存載子，而感光電路 LS_2另採用浮動端點FN_1來儲存載子。舉例來說，在t3期間，選擇訊號RSL(n+1)控制選擇開關108_2開啟，以取得感光電路LS_2的感光結果(即電子訊號VS_2)，且耦合控制訊號HDR_A(n)亦開啟耦合元件CP_2，使浮動端點FN_2耦接於浮動端點FN_1。其中，重置訊號RST(n+1)先開啟重置開關104_2一段時間(時間t3_1)，以清除位於浮動端點FN_2上的載子，此時，重置訊號RST(n)亦開啟重置開關104_1，以清除位於浮動端點FN_1上的載子。接著，在重置開關104_1及104_2關閉之後，傳輸控制訊號TX(n+1)控制傳輸開關102_2開啟(時間t3_2)，使載子CR_2被傳送至浮動端點FN_1及FN_2，以進行儲存。此時，由於選擇開關108_2已開啟，影像感測器之輸出電路可根據浮動端點FN_1及FN_2上的載子CR_2量及電容大小，取得對應於輸出元件110_2之閘極電壓的電子訊號VS_2。在此例中，耦合元件CP_2的開啟使得感光電路LS_2可同時使用浮動端點FN_1及FN_2上的電容來儲存載子，在此情況下，由於用來儲存載子的電容較大，感光電路LS_2的載子儲存能力較強，使得影像感測器具有較佳的動態範圍，可應用於四周環境光線較強的情況。除此之外，在第7圖中，影像感測器之輸出電路可在t1及t2期間透過相同方式分別取得電子訊號VS_0及VS_1。本領域具通常知識者可根據上述說明，推知影像感測器在t1及t2期間的運作，於此不贅述。
請參考第8圖，第8圖為本發明另一實施例感光電路運作之波形示意圖。如第8圖所示，感光電路LS_0、LS_1及LS_2在運作時，各採用三個浮動端點上的電容來儲存載子。詳細來說，輸出電路依序在t1、t2及t3期間內從感光電路LS_0、LS_1及LS_2取得電子訊號VS_0、VS_1及VS_2，因此，選擇訊號RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分別在t1、t2及t3期間分別控制選擇開關108_0、108_1及108_2開啟，其它時間則關閉。在每一感光電路LS_0、LS_1及LS_2進行運作時，除了採用自身的浮動端點FN_0、FN_1及FN_2來儲存載子之外，另採用位於讀取順序前一列及前二列的感光電路 中的浮動端點。亦即，感光電路LS_2另採用浮動端點FN_0及FN_1來儲存載子。舉例來說，在t3期間，選擇訊號RSL(n+1)控制選擇開關108_2開啟，以取得感光電路LS_2的感光結果(即電子訊號VS_2)，且耦合控制訊號HDR_A(n-1)及HDR_A(n)亦開啟耦合元件CP_1及CP_2，使浮動端點FN_2耦接於浮動端點FN_0及FN_1。其中，重置訊號RST(n+1)先開啟重置開關104_2一段時間(時間t3_1)，以清除位於浮動端點FN_2上的載子，此時，重置訊號RST(n-1)及RST(n)亦分別開啟重置開關104_0及104_1，以清除位於浮動端點FN_0及FN_1上的載子。接著，在重置開關104_0、104_1及104_2關閉之後，傳輸控制訊號TX(n+1)控制傳輸開關102_2開啟(時間t3_2)，使載子CR_2被傳送至浮動端點FN_0、FN_1及FN_2，以進行儲存。此時，由於選擇開關108_2已開啟，影像感測器之輸出電路可根據浮動端點FN_0、FN_1及FN_2上的載子CR_2量及電容大小，取得對應於輸出元件110_2之閘極電壓的電子訊號VS_2。在此例中，耦合元件CP_1及CP_2同時開啟，使得感光電路LS_2可同時使用浮動端點FN_0、FN_1及FN_2上的電容來儲存載子，在此情況下，更多電容可用來儲存載子，使得影像感測器的動態範圍獲得更大的提升，以應用於四周環境光線更強的情況。除此之外，在第8圖中，影像感測器之輸出電路可在t1及t2期間透過相同方式分別取得電子訊號VS_0及VS_1。本領域具通常知識者可根據上述說明，推知影像感測器在t1及t2期間的運作，於此不贅述。
值得注意的是，感光電路除了可採用位於讀取順序在前的感光電路中的浮動端點來儲存載子之外，亦可採用位於讀取順序在後的感光電路中的浮動端點來儲存載子。舉例來說，請參考第9圖，第9圖為本發明另一實施例感光電路運作之波形示意圖。如第9圖所示，感光電路LS_0、LS_1及LS_2在運作時，各採用二個浮動端點上的電容來儲存載子。詳細來說，輸出電路依序在t1、t2及t3期間內從感光電路LS_0、LS_1及LS_2取得電子訊 號VS_0、VS_1及VS_2，因此，選擇訊號RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分別在t1、t2及t3期間分別控制選擇開關108_0、108_1及108_2開啟，其它時間則關閉。在每一感光電路LS_0、LS_1及LS_2進行運作時，除了採用自身的浮動端點FN_0、FN_1及FN_2來儲存載子之外，另採用位於讀取順序後一列的感光電路中的浮動端點。亦即，感光電路LS_0另採用浮動端點FN_1來儲存載子，而感光電路LS_1另採用浮動端點FN_2來儲存載子。舉例來說，在t1期間，選擇訊號RSL(n-1)控制選擇開關108_0開啟，以取得感光電路LS_0的感光結果(即電子訊號VS_0)，且耦合控制訊號HDR_A(n-1)亦開啟耦合元件CP_1，使浮動端點FN_0耦接於浮動端點FN_1。其中，重置訊號RST(n-1)先開啟重置開關104_0一段時間(時間t1_1)，以清除位於浮動端點FN_0上的載子，此時，重置訊號RST(n)亦開啟重置開關104_1，以清除位於浮動端點FN_1上的載子。接著，在重置開關104_0及104_1關閉之後，傳輸控制訊號TX(n-1)控制傳輸開關102_0開啟(時間t3_0)，使載子CR_0被傳送至浮動端點FN_0及FN_1，以進行儲存。此時，由於選擇開關108_0已開啟，影像感測器之輸出電路可根據浮動端點FN_0及FN_1上的載子CR_0量及電容大小，取得對應於輸出元件110_0之閘極電壓的電子訊號VS_0。在此例中，耦合元件CP_1的開啟使得感光電路LS_0可同時使用浮動端點FN_0及FN_1上的電容來儲存載子，在此情況下，由於用來儲存載子的電容較大，感光電路LS_0的載子儲存能力較強，使得影像感測器具有較佳的動態範圍，可應用於四周環境光線較強的情況。除此之外，在第9圖中，影像感測器之輸出電路可在t2及t3期間透過相同方式分別取得電子訊號VS_1及VS_2。本領域具通常知識者可根據上述說明，推知影像感測器在t2及t3期間的運作，於此不贅述。
請參考第10圖，第10圖為本發明另一實施例感光電路運作之波形示意圖。如第10圖所示，感光電路LS_0、LS_1及LS_2在運作時，各採 用三個浮動端點上的電容來儲存載子。詳細來說，輸出電路依序在t1、t2及t3期間內從感光電路LS_0、LS_1及LS_2取得電子訊號VS_0、VS_1及VS_2，因此，選擇訊號RSL(n-1)、RSL(n)及RSL(n+1)分別在t1、t2及t3期間分別控制選擇開關108_0、108_1及108_2開啟，其它時間則關閉。在每一感光電路LS_0、LS_1及LS_2進行運作時，除了採用自身的浮動端點FN_0、FN_1及FN_2來儲存載子之外，另採用位於讀取順序後一列及後二列的感光電路中的浮動端點。亦即，感光電路LS_0另採用浮動端點FN_1及FN_2來儲存載子。舉例來說，在t1期間，選擇訊號RSL(n-1)控制選擇開關108_0開啟，以取得感光電路LS_0的感光結果(即電子訊號VS_0)，且耦合控制訊號HDR_A(n-1)及HDR_A(n)亦開啟耦合元件CP_1及CP_2，使浮動端點FN_0耦接於浮動端點FN_1及FN_2。其中，重置訊號RST(n-1)先開啟重置開關104_0一段時間(時間t1_1)，以清除位於浮動端點FN_0上的載子，此時，重置訊號RST(n)及RST(n+1)亦分別開啟重置開關104_1及104_2，以清除位於浮動端點FN_1及FN_2上的載子。接著，在重置開關104_0、104_1及104_2關閉之後，傳輸控制訊號TX(n-1)控制傳輸開關102_0開啟(時間t1_2)，使載子CR_0被傳送至浮動端點FN_0、FN_1及FN_2，以進行儲存。此時，由於選擇開關108_0已開啟，影像感測器之輸出電路可根據浮動端點FN_0、FN_1及FN_2上的載子CR_0量及電容大小，取得對應於輸出元件110_0之閘極電壓的電子訊號VS_0。在此例中，耦合元件CP_1及CP_2同時開啟，使得感光電路LS_0可同時使用浮動端點FN_0、FN_1及FN_2上的電容來儲存載子，在此情況下，更多電容可用來儲存載子，使得影像感測器的動態範圍獲得更大的提升，以應用於四周環境光線更強的情況。除此之外，在第10圖中，影像感測器之輸出電路可在t2及t3期間透過相同方式分別取得電子訊號VS_1及VS_2。本領域具通常知識者可根據上述說明，推知影像感測器在t2及t3期間的運作，於此不贅述。
值得注意的是，本發明可藉由控制耦合元件的啟閉，來調整用來儲存載子的浮動端點數量，以因應不同環境光的狀態，進而達成高動態範圍、高感光度及高訊噪比之效能。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，在上述實施例中，用來儲存載子的浮動端點可採用讀取順序在前的感光電路中的浮動端點或讀取順序在後的感光電路中的浮動端點。在其它實施例中，用來儲存載子的浮動端點可同時包含讀取順序在前的感光電路中的浮動端點以及讀取順序在後的感光電路中的浮動端點。舉例來說，感光電路LS_1可同時使用浮動端點FN_0及FN_2來儲存載子。此外，在部分實施例中，一感光電路亦可使用四個、五個或更多個浮動端點中的電容來儲存載子，以進一步提升影像感測器之動態範圍。對於具有N列畫素的影像感測器來說，可同步開啟的耦合元件數量最大可達到N-1，使得載子儲存能力提升N倍，進而提升動態範圍及訊噪比。另一方面，在上述第6圖至第10圖之實施例中，影像感測器之輸出電路是在讀取感光結果之前，清除浮動端點上的載子，但在其它實施例中，亦可在感光結果讀取完畢之後，立即開啟重置開關以清除浮動端點上的載子。需注意的是，在耦合元件開啟使得浮動端點相互連結的情況下，開啟其中任一浮動端點所對應的重置開關即可清除相互連結的浮動端點上的載子。或者，如以上實施例所描述，亦可分別開啟每一浮動端點所對應的重置開關，以各別清除每一浮動端點上的載子。
在一實施例中，可進一步在影像感測器之一張畫面中同時實現高靈敏度操作模式及高動態範圍操作模式。舉例來說，感光電路可加上額外的控制電路，以在輸出電路讀取感光結果時，藉由控制電路來控制各別感光電路操作在高靈敏度操作模式或高動態範圍操作模式。請參考第11A圖及第11B圖，第11A圖及第11B圖為本發明實施例另一影像感測器之感光電路之示意圖，其中，第11A圖繪示單一畫素之感光電路1100之結構，第11B圖則繪 示多個感光電路在影像感測器上排列之結構。如第11A圖所示，感光電路1100之結構相似於第4A圖之感光電路40之結構，故功能相同的訊號或模組皆以相同符號表示。感光電路1100與感光電路40的主要差異在於，感光電路1100之耦合元件CP_A及CP_B分別透過一控制元件CTRL_A及CTRL_B來進行控制。詳細來說，在第11A圖中，耦合元件CP_A、CP_B及控制元件CTRL_A、CTRL_B皆為一電晶體，其中，控制元件CTRL_A耦接於耦合元件CP_A之閘極，用來控制耦合元件CP_A的開啟或關閉，控制元件CTRL_B耦接於耦合元件CP_B之閘極，用來控制耦合元件CP_B的開啟或關閉。
詳細控制方式請參考第11B圖。影像感測器可透過水平控制訊號及垂直控制訊號來控制控制元件，進而控制耦合元件的開啟或關閉。舉例來說，當水平控制訊號HDR_H(n-1)及垂直控制訊號HDR_V(m)同時開啟時，耦合元件CP_1才會開啟；當水平控制訊號HDR_H(n)及垂直控制訊號HDR_V(m)同時開啟時，耦合元件CP_2才會開啟；當水平控制訊號HDR_H(n+1)及垂直控制訊號HDR_V(m)同時開啟時，耦合元件CP_3才會開啟。在此情況下，每一水平控制訊號HDR_H分別對應於一列耦合元件，而每一垂直控制訊號HDR_V分別對應於一行耦合元件。影像感測器可在讀取每一列畫素之感光結果時，透過水平控制訊號HDR_H及垂直控制訊號HDR_V來控制相對應耦合元件是否開啟。
舉例來說，請參考第12圖，第12圖為本發明實施例在一影像感測器上的畫素陣列中，藉由水平控制訊號及垂直控制訊號控制耦合元件啟閉之示意圖。如第12圖所示，影像感測器包含水平控制電路1202及垂直控制電路1204，其分別透過水平控制訊號及垂直控制訊號來控制控制元件，進而控制耦合元件的開啟或關閉。當影像感測器之輸出電路欲讀取位於第R1列畫素的感光結果時，水平控制訊號HDR_H1可開啟，由垂直控制訊號HDR_V1、 HDR_V2及HDR_V3分別控制感光電路A、B及C相對應的耦合元件。舉例來說，若使用者欲控制感光電路A及C操作在高動態範圍操作模式，而感光電路B操作在高靈敏度操作模式時，可開啟水平控制訊號HDR_H1，再透過垂直控制訊號HDR_V1及HDR_V3分別控制相對應於感光電路A及C的耦合元件開啟，並透過垂直控制訊號HDR_V2控制相對應於感光電路B的耦合元件關閉。接著，當影像感測器之輸出電路欲讀取位於第R2列畫素的感光結果時，水平控制訊號HDR_H2可開啟，由垂直控制訊號HDR_V1、HDR_V2及HDR_V3分別控制感光電路D、E及F相對應的耦合元件。舉例來說，若使用者欲控制感光電路E操作在高動態範圍操作模式，而感光電路D及F操作在高靈敏度操作模式時，可開啟水平控制訊號HDR_H2，再透過垂直控制訊號HDR_V2控制相對應於感光電路E的耦合元件開啟，並透過垂直控制訊號HDR_V1及HDR_V3分別控制相對應於感光電路D及F的耦合元件關閉。如此一來，使用者可根據需求，在影像感測器之一張畫面中同時實現高靈敏度操作模式及高動態範圍操作模式。例如使用者可根據前一張畫面的內容，在一張畫面中的部分區域採用高靈敏度操作模式(即於感光時關閉相對應耦合元件)且部分區域採用高動態範圍操作模式(即於感光時開啟相對應耦合元件)。此外，使用者亦可調整耦合元件開啟的數目，在動態範圍和感光靈敏度之間取得最佳的平衡。
綜上所述，本發明可提供一種用於影像感測器之感光單元及其感光電路，使得影像感測器可同時具備高動態範圍、高感光度及高訊噪比之效能。藉由耦合元件的設置，每一浮動端點皆可耦合至其它浮動端點，使得多個浮動端點可共同用來儲存一感光元件產生的載子，以提升感光電路的載子儲存能力。在本發明之實施例中，可採用其它感光電路中的浮動端點的電容來協助儲存載子，而不需要額外增加電容。此外，透過水平/垂直方向的控制電路，可控制每一感光電路所對應的耦合元件開啟或關閉，以在影像感測 器之一張畫面中同時實現高靈敏度操作模式及高動態範圍操作模式。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
40‧‧‧感光電路
PD‧‧‧感光元件
FN、FN(A)、FN(B)‧‧‧浮動端點
102‧‧‧傳輸開關
104‧‧‧重置開關
106‧‧‧輸出單元
108‧‧‧選擇開關
110‧‧‧輸出元件
CR‧‧‧載子
VS‧‧‧電子訊號
V1、V2‧‧‧電壓訊號
CP_A、CP_B‧‧‧耦合元件

Claims (21)

  1. 一種感光單元，用於一影像感測器之一感光電路，該感光單元包含有：一第一感光元件，用來感測光線以取得一感光結果，並據以產生複數個載子；一第一浮動端點，用來接收並儲存該第一感光元件所產生之該複數個載子；以及至少一耦合元件，用來將該第一浮動端點耦合至至少一第二浮動端點，並將該第一浮動端點所儲存之該複數個載子中的部分載子傳送至該至少一第二浮動端點，以儲存於該至少一第二浮動端點。
  2. 如請求項1所述之感光單元，其中該至少一第二浮動端點中的每一第二浮動端點對應於該影像感測器中至少一第二感光元件中的一第二感光元件，使得該每一第二浮動端點用來接收並儲存相對應之該第二感光元件所產生的載子。
  3. 如請求項1所述之感光單元，其中該感光電路另包含一輸出單元，用來輸出該第一感光元件之該感光結果，其中，該輸出單元將儲存於該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點之該複數個載子轉換為一電子訊號，並將該電子訊號傳送至一輸出電路，使該輸出電路藉由該電子訊號讀取該感光結果。
  4. 如請求項3所述之感光單元，其中該電子訊號係一電壓訊號。
  5. 如請求項1所述之感光單元，其中該第一浮動端點上包含一第一電容，且該至少一第二浮動端點中每一第二浮動端點上包含一第二電容，該第一電容及該第二電容用來儲存該複數個載子。
  6. 如請求項1所述之感光單元，其中當該影像感測器處於一高動態範圍(high dynamic range)操作模式時，該至少一耦合元件開啟，使得該第一浮動端點耦合至該至少一第二浮動端點，進而使該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點同時用來儲存該複數個載子。
  7. 如請求項6所述之感光單元，其中在該高動態範圍操作模式之下，該第一感光元件產生之該複數個載子的數量大於一臨界值。
  8. 如請求項1所述之感光單元，其中當該影像感測器處於一高靈敏度(high sensitivity)操作模式時，該至少一耦合元件關閉，使得該複數個載子僅儲存於該第一浮動端點。
  9. 如請求項8所述之感光單元，其中在該高靈敏度操作模式之下，該第一感光元件產生之該複數個載子的數量小於一臨界值。
  10. 一種感光電路，用於一影像感測器，該感光電路包含有：一第一感光元件，用來感測光線以取得一感光結果，並據以產生複數個載子；一第一浮動端點，用來接收並儲存該第一感光元件所產生之該複數個載子；一傳輸開關，耦接於該第一感光元件與該第一浮動端點之間，於開啟時傳送該第一感光元件所產生之該複數個載子至該第一浮動端點；至少一耦合元件，用來將該第一浮動端點耦合至至少一第二浮動端點，並將該第一浮動端點所儲存之該複數個載子中的部分載子傳送至該至少一第二浮動端點，以儲存於該至少一第二浮動端點； 一重置開關，耦接於該第一浮動端點，於開啟時清除位於該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點上的該複數個載子；以及一輸出單元，包含有：一選擇開關，受控於該影像感測器之一輸出電路，於開啟時用來選擇接收該感光結果；以及一輸出元件，用來於該選擇開關開啟時，將儲存於該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點之該複數個載子轉換為一電子訊號，並將該電子訊號傳送至該輸出電路，使該輸出電路藉由該電子訊號讀取該感光結果。
  11. 如請求項10所述之感光電路，其中該電子訊號係一電壓訊號。
  12. 如請求項10所述之感光電路，其中該至少一第二浮動端點中的每一第二浮動端點對應於該影像感測器中至少一第二感光元件中的一第二感光元件，使得該每一第二浮動端點用來接收並儲存相對應之該第二感光元件所產生的載子。
  13. 如請求項10所述之感光電路，其中該第一浮動端點上包含一第一電容，且該至少一第二浮動端點中每一第二浮動端點上包含一第二電容，該第一電容及該第二電容用來儲存該複數個載子。
  14. 如請求項10所述之感光電路，其中當該影像感測器處於一高動態範圍(high dynamic range)操作模式時，該至少一耦合元件開啟，使得該第一浮動端點耦合至該至少一第二浮動端點，進而使該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點同時用來儲存該複數個載子。
  15. 如請求項14所述之感光電路，其中在該高動態範圍操作模式之下，該第一感光元件產生之該複數個載子的數量大於一臨界值。
  16. 如請求項10所述之感光電路，其中當該影像感測器處於一高靈敏度(high sensitivity)操作模式時，該至少一耦合元件關閉，使得該複數個載子僅儲存於該第一浮動端點。
  17. 如請求項16所述之感光電路，其中在該高靈敏度操作模式之下，該第一感光元件產生之該複數個載子的數量小於一臨界值。
  18. 如請求項10所述之感光電路，其中在一第一期間內，該傳輸開關關閉，該至少一耦合元件及該重置開關開啟，以清除位於該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點上的該複數個載子。
  19. 如請求項10所述之感光電路，其中在一第二期間內，該重置開關關閉，該至少一耦合元件及該傳輸開關開啟，使該複數個載子被傳送至該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點，以進行儲存。
  20. 如請求項19所述之感光電路，其中該選擇開關在該第二期間內或一第三期間內開啟，使得該輸出元件將該第一浮動端點及該至少一第二浮動端點所儲存的該複數個載子轉換為該電子訊號，進而使該輸出電路藉由該電子訊號讀取該感光結果。
  21. 如請求項20所述之感光電路，其中當該輸出電路讀取該感光結果之後，該重置開關開啟且該傳輸開關關閉，以清除位於該第一浮動端點上的該複數個載子，使得該第一浮動端點用來接收並儲存該影像感測器中一第二感光元件所產生的載子。
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