TW202007135A - 具有可見光通信功能的影像感測器以及影像感測系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種具有可見光通信功能的影像感測器以及影像感測系統。影像感測器包括像素單元以及透鏡單元。像素單元包括多個子像素單元以及可見光通信單元。多個子像素單元分布在基板的多個子像素區域。可見光通信單元設置在基板的所述多個子像素區域以外的區域。透鏡單元包括多個第一微透鏡單元以及第二微透鏡單元。所述多個第一微透鏡單元設置在基板上，以分別對應於分布在所述多個子像素區域的該些子像素單元。第二微透鏡單元設置在基板上，以對應於設置在所述多個子像素區域以外的區域的可見光通信單元。

Description

具有可見光通信功能的影像感測器以及影像感測系統
本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種具有可見光通信（Visible Light Communication, VLC）功能的影像感測器以及影像感測系統。
隨著無線通信技術的演進，利用可見光來進行訊息的傳遞是無線通信產業目前重要的研發方向之一。可見光通信（Visible Light Communication, VLC）技術可例如應用於光照上網、可見光點播電視業務、可見光無線廣播或可見光定位等應用領域，並且具有高能源效率、低電磁波干擾以及開發新頻譜的優點。然而，如何將可見光通信技術整合至當前的電子產品的現有的特定功能元件中，以增加可見光通信的可應用性是目前仍待解決的問題。因此，如何使整合有可見光通信功能的電子產品的特定功能元件除了可正常執行其既有功能，同時亦可有效且準確地感測可見光信號，以下將提出幾個實施例的解決方案。
本發明提供一種影像感測器以及影像感測系統可提供影像感測功能以及可見光通信（Visible Light Communication, VLC）功能。
本發明的具有可見光通信功能的影像感測器包括像素單元以及透鏡單元。像素單元包括多個子像素單元以及可見光通信單元。多個子像素單元分布在基板的多個子像素區域。可見光通信單元設置在基板的所述多個子像素區域以外的區域。透鏡單元包括多個第一微透鏡單元以及第二微透鏡單元。所述多個第一微透鏡單元設置在基板上，以分別對應於分布在所述多個子像素區域的該些子像素單元。第二微透鏡單元設置在基板上，以對應於設置在所述多個子像素區域以外的區域的可見光通信單元。
本發明的具有可見光通信功能的影像感測系統包括多個影像感測器、多個可見光通信感測器、多個第一透鏡單元以及多個第二透鏡單元。所述多個影像感測器各別包括像素陣列。所述多個影像感測器分布在基板的多個影像感測區域。所述多個可見光通信感測器設置在基板的所述多個影像感測區域以外的區域。所述多個第一透鏡單元設置在基板上，以分別對應於分布在所述多個影像感測區域的所述多個影像感測器。所述多個第二透鏡單元設置在基板上，以分別對應於設置在所述多個影像感測區域以外的區域的所述多個可見光通信感測器。
基於上述，本發明的影像感測器可整合可見光通信單元，並且本發明的影像感測系統可整合可見光通信感測器，以使本發明的影像感測器以及影像感測系統可不僅提供影像感測功能，還可提供可見光通信功能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1是依照本發明的一實施例的影像感測單元的示意圖。參考圖1，像素單元111包括多個子像素單元以及可見光通信（Visible Light Communication, VLC）單元VLC。在本實施例中，所述多個子像素單元包括紅色子像素單元R、綠色子像素單元G1、G2以及藍色子像素單元B。所述多個子像素單元分布在基板P的多個子像素區域，其中所述多個子像素區域可如圖1所示的紅色子像素單元R、綠色子像素單元G1、G2以及藍色子像素單元B的位置，可見光通信單元VLC設置在基板P的所述多個子像素區域以外的區域，其中可見光通信單元VLC所設置的區域可如圖1所示位於紅色子像素單元R、綠色子像素單元G1、G2以及藍色子像素單元B所形成的2×2陣列的中間位置。然而，本發明的所述多個子像素單元以及可見光通信單元VLC的分布位置不限於圖1所示，並且本發明的所述多個子像素單元的像素類型也不限於上述類型。
在本實施例中，像素單元111上可設置透鏡單元112。透鏡單元112包括多個第一微透鏡單元L1~L4以及第二微透鏡單元L5。所述多個第一微透鏡單元L1~L4設置在基板P上，以分別對應於分布在所述多個子像素區域的所述多個子像素單元。第二微透鏡單元L5設置在基板P上，以對應於設置在所述多個子像素區域以外的區域的可見光通信單元VLC。在本實施例中，所述多個第一微透鏡單元L1~L4以及第二微透鏡單元L5形成在紅色子像素單元R、綠色子像素單元G1、G2、藍色子像素單元B以及可見光通信單元VLC。所述多個第一微透鏡單元L1~L4以及第二微透鏡單元L5分別用以匯聚光線至所述多個子像素單元以及可見光通信單元VLC中，以使所述多個子像素單元以及可見光通信單元VLC對應輸出影像感測資訊以及可見光通信資訊。
在本實施例中，所述多個第一微透鏡單元L1~L4以及第二微透鏡單元L5與基板P接觸的底部輪廓（俯視結果）為圓形。換言之，本實施例的可見光通信單元VLC是設置在對應於所述多個第一微透鏡單元L1~L4以外的區域，以利用所述多個子像素區域以外的區域來設置可見光通信單元VLC，以使像素單元111可具有影像感測功能以及可見光通信功能。然而，本發明的所述多個第一微透鏡單元L1~L4以及第二微透鏡單元L5的底部輪廓的形狀不限於圓形。
另外，本實施例的基板P可包括多層材料結構，例如包括金屬層以及介質層等，本發明並不加以限制。本實施例的基板P當中可經半導體製程以形成所述多個子像素單元以及可見光通信單元VLC，並且可依據影像感測器的技術領域的通常知識而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此在此不多加贅述。
圖2是依照本發明的一實施例的影像感測器的示意圖。參考圖2，圖2為影像感測器100從感測方向觀之的俯視示意圖。在本實施例中，影像感測器100包括像素陣列110。像素陣列110可包括陣列排列的多個如上述圖1的像素單元111。並且，影像感測器100在像素陣列110周圍可進一步設置多個輸入輸出接墊（Pad）120_1~120_10。所述多個輸入輸出接墊120_1~120_10用以電性連接至像素陣列110中的多個子像素單元以及多個可見光通信單元。在本實施例中，影像感測器100在影像感測期間中可藉由像素陣列110中的所述多個子像素單元來感測影像，並且在可見光通信期間中還可藉由像素陣列110中的所述多個可見光通信單元來接收或感測可見光通信信號，以進行可見光通信。
值得注意的是，類推如上述圖1所述的可見光通信單元VLC的設置結果，由於所述多個可見光通信單元VLC是設置在所述多個子像素單元之間的多個畸零區域中，因此其可見光通信信號的感測品質有限。對此，本發明的影像感測器100將會藉由將所述多個可見光通信單元提供的多個感測信號相加，以輸出完整或可解析的可見光通信信號至後端電路來進行相關可見光通信解碼操作。
圖3是依照本發明的一實施例的可見光通信單元的電路圖。參考圖3，上述各實施例的可見光通信單元可如圖3所示的可見光通信單元300。可見光通信單元300包括光電二極體（Photodiode, PD）D、傳輸開關Tx、電容C以及重置開關RS。在本實施例中，傳輸開關Tx的第一端耦接光電二極體D。光電二極體D的一端耦接傳輸開關Tx，並且另一端耦接接地電壓VSS。光電二極體D用以感測可見光通信信號，以當傳輸開關Tx導通時傳輸感測信號至電容C。電容C的第一端為電壓輸出端Vout，並且電容C的第二端耦接傳輸開關Tx的第二端。重置開關RS的第一端耦接電容C的第二端以及傳輸開關Tx的第二端。
在本實施例中，重置開關RS的第二端耦接系統電壓VCC，並且用以在感測可見光前導通，以重置光電二極體D。當光電二極體D感測到可見光而提供電流（電子流）信號至電容C時，電壓輸出端Vout將產生相應變化。也就是說，影像感測器的讀出電路可經由導線連接至可見光通信單元300的電容C，以讀出電壓輸出端Vout的電壓變化結果。因此，本發明的影像感測器可經由轉換及解碼電壓輸出端Vout的電壓變化結果，來有效地取得並輸出對應的可見光通信信號。值得注意的是，多個光電二極體D的電容C的第一端Vout可以連接在一起，用以提升光通信的訊號品質（例如訊噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR））。
值得注意的是，由於本發明各實施例的可見光通信單元的電路設計可如圖3所示的簡便的電路設計，因此可有效降低可見光通信單元在上述基板中的設置區域以及設置複雜度。並且，在一實施例中，電容C可以是由上述基板中的間隔有介質層的兩個金屬層所形成的寄生電容，因此可見光通信單元300的電容C無須在基板上進行額外的結構設計，並且可見光通信單元300可輕易地設置在上述或任意習知的像素單元的所述多個子像素單元之間的多個畸零區域中，而無須重新設計像素單元的布局（Layout）。
圖4是依照本發明的一實施例的影像感測系統的示意圖。參考圖4，圖4為影像感測系統400從感測方向觀之的俯視示意圖。在本實施例中，影像感測系統400包括多個影像感測器410以及多個可見光通信感測器420。所述多個影像感測器410形成攝影機陣列（Camera array）。所述多個可見光通信感測器420形成可見光通信感測器陣列。如圖4所示，攝影機陣列與可見光通信感測器陣列交錯設置。在本實施例中，所述多個影像感測器410可如一般的RGB影像感測器，或是如上述圖2所示設置有可見光通信單元的影像感測器100。所述RGB影像感測器係指其陣列排列的多個像素單元各別包括紅色子像素單元、綠色子像素單元以及藍色子像素單元，並且不包括可見光通信單元。
在本實施例中，所述多個影像感測器410分布在基板P’的多個影像感測區域，並且在所述多個影像感測區域以外的多個崎零區域可設置有多個可見光通信感測器420。對此，本實施例的所述多個可見光通信感測器420可各別包括如上述圖1或圖3的一個或多個可見光通信感測單元，但本發明並不加以限制。
在本實施例中，多個第一透鏡單元可設置在基板P’上（位於如圖所示所述多個影像感測器410的位置），以分別對應於分布在所述影像感測區域的所述多個影像感測器410，並且所述多個第一透鏡單元與基板P’接觸的底部輪廓（俯視結果）為圓形。多個第二透鏡單元可設置在基板P’上（位於如圖所示所述多個可見光通信感測器420的位置），以分別對應於分布在所述影像感測區域的以外區域的所述多個可見光通信感測器420，並且所述多個第二透鏡單元與基板P’接觸的底部輪廓（俯視結果）為圓形。所述多個第一透鏡單元以及所述多個第二透鏡單元用以匯聚光線至所述多個影像感測器410以及所述多個可見光通信感測器420。
在本實施例中，由於所述多個可見光通信感測器420是設置在所述多個影像感測器410之間的多個畸零區域中，因此其可見光通信信號的感測品質有限。對此，本發明的影像感測系統400將會藉由將所述多個可見光通信感測器420提供的多個感測信號相加，以輸出完整或可解析的可見光通信信號至後端電路來進行相關可見光通信解碼操作。
另外，關於本實施例所述的影像感測器410以及所述的可見光通信感測器420的詳細技術特徵以及實施方式可參考上述圖1至圖3實施例的說明而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此在此不多加贅述。
綜上所述，本發明的具有可見光通信功能的影像感測器以及影像感測系統可藉由在影像感測器以及影像感測系統的多個像素單元中各別設置具有簡易電路架構以及簡易製程架構的可見光通信單元，或在影像感測系統的多個影像感測器附近設置多個可見光通信感測器，以使本發明的影像感測器以及影像感測系統可具有影像感測功能以及可見光通信功能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧影像感測器 110‧‧‧像素陣列 120_1~120_10‧‧‧輸入輸出接墊 111‧‧‧像素單元 112‧‧‧透鏡單元 300‧‧‧可見光通信單元 400‧‧‧影像感測系統 410‧‧‧影像感測器 420‧‧‧可見光通信感測器 C‧‧‧電容 D‧‧‧光電二極體 Tx‧‧‧傳輸開關 RS‧‧‧重置開關 Vout‧‧‧電壓輸出端 VCC‧‧‧系統電壓 VSS‧‧‧接地電壓 R、G1、G2、B‧‧‧子像素單元 VLC‧‧‧可見光通信單元 L1~L5‧‧‧微透鏡單元 P、P’‧‧‧基板
圖1是依照本發明的一實施例的影像感測單元的示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例的影像感測器的示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的可見光通信單元的電路圖。 圖4是依照本發明的一實施例的影像感測系統的示意圖。
111‧‧‧像素單元
112‧‧‧透鏡單元
R、G1、G2、B‧‧‧子像素單元
VLC‧‧‧可見光通信單元
L1~L5‧‧‧微透鏡單元
P‧‧‧基板

Claims (10)

  1. 一種具有可見光通信功能的影像感測器，包括： 一像素單元，包括： 多個子像素單元，分布在一基板的多個子像素區域； 一可見光通信單元，設置在該基板的該些子像素區域以外的區域；以及 一透鏡單元，包括： 多個第一微透鏡單元，設置在該基板上，以分別對應於分布在該些子像素區域的該些子像素單元；以及 一第二微透鏡單元，設置在該基板上，以對應於設置在該些子像素區域以外的區域的該可見光通信單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該些子像素單元包括一紅色子像素單元、一第一綠色子像素單元、一第二綠色子像素單元以及一藍色子像素單元，並且該些子像素單元形成一2×2陣列， 其中該可見光通信單元設置在對應於該2×2陣列的一中間位置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該些第一微透鏡單元以及該第二微透鏡單元的底部輪廓為圓形。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，更包括陣列排列的多個像素單元，以使該些像素單元的該些子像素單元形成一像素陣列，並且該些像素單元的該些可見光通信單元形成一可見光通信單元陣列， 其中該影像感測器藉由將該些可見光通信單元提供的多個感測信號相加，以輸出一可見光通信信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該可見光通信單元包括： 一光電二極體； 一傳輸開關，其中該傳輸開關的一第一端耦接該光電二極體； 一電容，其中該電容的一第一端為一電壓輸出端，並且該電容的一第二端耦接該傳輸開關的一第二端；以及 一重置開關，其中該重置開關的一第一端耦接該電容的該第二端以及該傳輸開關的該第二端。
  6. 一種具有可見光通信功能的影像感測系統，包括： 多個影像感測器，各別包括一像素陣列，並且分布在一基板的多個影像感測區域； 多個可見光通信感測器，設置在該基板的該些影像感測區域以外的區域； 多個第一透鏡單元，設置在該基板上，以分別對應於分布在該些影像感測區域的該些影像感測器；以及 多個第二透鏡單元，設置在該基板上，以分別對應於設置在該些影像感測區域以外的區域的該些可見光通信感測器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測系統，其中該些像素陣列各別包括陣列排列的多個像素單元，並且該些像素單元各別包括一個紅色子像素單元、兩個綠色子像素單元以及一個藍色子像素單元。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測系統，其中該些第一透鏡單元以及該些第二透鏡單元的底部輪廓為圓形。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測系統，其中該些影像感測器形成一攝影機陣列，並且該些可見光通信感測器形成一可見光通信感測器陣列，該攝影機陣列與該可見光通信感測器陣列交錯設置， 其中該影像感測器藉由將該些可見光通信單元提供的多個感測信號相加，以輸出一可見光通信信號。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測系統，其中該些可見光通信感測器各別包括一可見光通信單元，並且該可見光通信單元包括： 一光電二極體； 一傳輸開關，其中該傳輸開關的一第一端耦接該光電二極體； 一電容，其中該電容的一第一端為一電壓輸出端，並且該電容的一第二端耦接該傳輸開關的一第二端；以及 一重置開關，其中該重置開關的一第一端耦接該電容的該第二端以及該傳輸開關的該第二端。
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