TW202220202A - 影像感測器以及影像感測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種影像感測器以及影像感測方法。影像感測器包括光電二極體、第一儲存電路、第一讀出電路、第二儲存電路以及第二讀出電路。當影像感測器操作在動態視覺感測模式中，第一儲存電路儲存光電二極體在第一圖框期間的第一曝光期間中所提供的第一動態視覺感測信號，第二儲存電路儲存光電二極體在第一圖框期間的第二曝光期間中所提供的第二動態視覺感測信號。第一讀出電路以及第二讀出電路同時依據第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號輸出第一讀出信號以及第二讀出信號至差動放大器的第一輸入端以及第二輸入端。

Description

影像感測器以及影像感測方法
本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種影像感測器以及影像感測方法。
目前的影像感測器如要實現動態視覺感測以及影像感測，則必須透過兩組感測陣列或兩組讀出電路來實現，而具有較高的硬體成本以及複雜的電路設計。此外，目前的影像感測器所取得動態視覺感測結果往往具有較高的失真(distortion)，而使得動態視覺感測效果不佳。因此，如何使影像感測器可採用較低硬體成本來實現，並且可取得具有較低失真的動態視覺感測結果以及影像感測結果，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方法，可有效地對高速移動物體進行感測而不會有影像失真的情況。
本發明的影像感測器包括光電二極體、第一儲存電路、第一讀出電路、第二儲存電路以及第二讀出電路。第一儲存電路，耦接光電二極體。第一讀出電路耦接第一儲存電路以及前一級感測像素的另一第二儲存電路。第二儲存電路耦接光電二極體。第二讀出電路耦接第二儲存電路以及下一級感測像素的另一第一儲存電路。當影像感測器操作在動態視覺感測模式中，第一儲存電路儲存光電二極體在第一圖框期間的第一曝光期間中所提供的第一動態視覺感測信號。第二儲存電路儲存光電二極體在第一圖框期間的第二曝光期間中所提供的第二動態視覺感測信號。第一讀出電路以及第二讀出電路同時依據第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號輸出第一讀出信號以及第二讀出信號至差動放大器的第一輸入端以及第二輸入端。
本發明的影像感測方法包括以下步驟：當一影像感測器操作在一動態視覺感測模式中，透過第一儲存電路儲存光電二極體在第一圖框期間的第一曝光期間中所提供的第一動態視覺感測信號；透過第二儲存電路儲存光電二極體在第一圖框期間的第二曝光期間中所提供的第二動態視覺感測信號；以及透過第一讀出電路以及第二讀出電路同時依據第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號輸出第一讀出信號以及第二讀出信號至差動放大器的第一輸入端以及第二輸入端。第一讀出電路耦接第一儲存電路以及前一級感測像素的另一第二儲存電路。第二讀出電路耦接第二儲存電路以及下一級感測像素的另一第一儲存電路。
基於上述，本發明的影像感測器以及影像感測方法可透過兩個儲存電路來儲存光電二極體在一個圖框期間的連續兩次感測結果的第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號，並且將第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號形成以差動信號的方式讀出，以有效地取得動態視覺感測資訊。
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揭示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是本發明的一實施例的影像感測器的示意圖。參考圖1，影像感測器100包括像素陣列110以及信號處理電路120。像素陣列110耦接信號處理電路120。像素陣列110包括多個感測像素111_1~111_N，其中N為正整數。感測像素111_1~111_N的每一個可作為像素或子像素。在本實施例中，影像感測器100可進行動態視覺感測模式以及進行(彩色)影像感測模式。
圖2是本發明的一實施例的感測像素的示意圖。參考圖2，上述圖1的感測像素111_1~111_N可包括如圖2所示的感測像素電路200，並且上述圖1的信號處理電路120可包括如圖2所示的多工器電路201以及差動放大器202。在本實施例中，感測像素210(例如圖1的感測像素111_1)包括光電二極體211、儲存電路212、儲存電路213、讀出電路214以及讀出電路215。光電二極體211耦接儲存電路212以及儲存電路213。儲存電路212耦接讀出電路214。儲存電路213耦接讀出電路215。在本實施例中，感測像素220(例如圖1的感測像素111_2)包括光電二極體221、儲存電路222、儲存電路223、讀出電路215以及讀出電路224。光電二極體221耦接儲存電路222以及儲存電路223。儲存電路222耦接讀出電路215。儲存電路223耦接讀出電路224。值得注意的是，感測像素210(例如圖1的感測像素111_1)與感測像素220(例如圖1的感測像素111_2)共同使用(分享)同一個讀出電路215。在本實施例中，感測像素230(例如圖1的感測像素111_3)包括光電二極體231、儲存電路232、儲存電路233、讀出電路224以及讀出電路234。光電二極體231耦接儲存電路232以及儲存電路233。儲存電路232耦接讀出電路224。儲存電路233耦接讀出電路234。值得注意的是，感測像素220(例如圖1的感測像素111_2)與感測像素230(例如圖1的感測像素111_3)共同使用(分享)同一個讀出電路224。感測像素240(例如圖1的感測像素111_4)包括光電二極體241、儲存電路242、儲存電路243、讀出電路234以及讀出電路244。以此類推，感測像素240與上述感測像素220、230有相同電路特徵與操作方式。也就是說，除了圖1的感測像素111_1~111_N中的每一個行(column)的第一個的感測像素以及每一個行的最後一個的感測像素所使用的兩個讀出電路中可包括一個屬於單獨使用的讀出電路(例如讀出電路214)，而其餘的感測像素所分別使用的兩個讀出電路為分別與上一級感測像素以及下一級感測像素共同使用。換言之，對於感測像素220、230、240而言，感測像素220、230、240的讀出電路215、224、234耦接感測像素220、230、240的儲存電路222、232、242以及前一級感測像素210、220、230的儲存電路213、223、233。感測像素220、230、240的讀出電路224、234、244耦接感測像素220、230、240的儲存電路223、233、243以及下一級感測像素230、240的儲存電路232、242。
值得注意的是，讀出電路214、讀出電路224以及讀出電路244耦接至多工器電路201的第一輸入端，並且讀出電路215以及讀出電路234耦接至多工器電路201的第二輸入端。多工器電路201的第一輸出端耦接差動放大器202的第一輸入端，並且多工器電路201的第二輸出端耦接差動放大器202的第二輸入端。多工器電路201可選擇性地將讀出電路214、讀出電路224或讀出電路244輸出的讀出信號提供至差動放大器202的第一輸入端或第二輸入端，並且多工器電路201可選擇性地將讀出電路215或讀出電路234輸出的讀出信號提供至差動放大器202的第二輸入端或第一輸入端。
在本實施例中，當影像感測器操作動態視覺感測模式時，感測像素210可利用儲存電路212以及儲存電路213來儲存光電二極體211在短時間內的兩次曝光操作所產生的兩個動態視覺感測信號。具體而言，儲存電路212、222、232、242可儲存光電二極體211、221、231、241在圖框期間的第一曝光期間中所提供的第一動態視覺感測信號，並且儲存電路213、223、233、243可儲存光電二極體211、221、231、241在圖框期間的第二曝光期間中所提供的第二動態視覺感測信號。在一第一讀出期間中，感測像素210的讀出電路214以及讀出電路215可同時依據儲存電路212所儲存的第一動態視覺感測信號以及儲存電路213所儲存的第二動態視覺感測信號(並且搭配上、下斜坡信號)輸出第一讀出信號以及第二讀出信號至差動放大器202(經由多工器電路201)的第一輸入端以及第二輸入端。接著，在下一第一讀出期間中，感測像素220透過讀出電路215以及讀出電路224可同時依據儲存電路222所儲存的另一第一動態視覺感測信號以及儲存電路223所儲存的另一第二動態視覺感測信號(並且搭配上、下斜坡信號)輸出另一第一讀出信號以及另一第二讀出信號至差動放大器202(經由多工器電路201交換)的第二輸入端以及第一輸入端。以此類推，搭配多工器電路201的切換，感測像素230以及感測像素240分別儲存的第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號可由共用的多個讀出電路(並且搭配上、下斜坡信號)來依續讀出至差動放大器202。
因此，在本實施例中，讀出電路214以及讀出電路215可分別讀出儲存在儲存電路212以及儲存電路213中的所述兩個動態視覺感測信號，並經由多工器電路201提供至差動放大器202，以使差動放大器202可產生對應於此感測像素的動態視覺感測結果。在本實施例中，動態視覺感測結果可以是指對應於所述兩個動態視覺感測信號的信號強度差異。如此一來，影像感測器可依據如圖1所示的感測陣列110的感測像素111_1~111_N所產生對應於一張感測影像(或對應於一個圖框期間)的多個動態視覺感測結果，來取得當前感測對象的動態資訊，例如位移資訊及/或移動速度資訊等，但本發明並不限於此。
值得一提的是，在本實施例中，在連續多個圖框期間，影像感測器可以交替操作為動態視覺感測模式與影像感測模式。因此，可以得到關於感測物的完整資訊，即感測物的速度與影像。
在本實施例中，當影像感測器操作影像感測模式時，感測像素210可利用儲存電路212或儲存電路213來儲存光電二極體211在一個圖框期間的一次曝光操作所產生的影像感測信號。在本實施例中，讀出電路214以及讀出電路215可分別搭配上、下斜坡信號來讀出儲存在儲存電路212以及第二儲存電路213中的兩筆感測信號，並提供至差動放大器202，以使差動放大器202可產生對應於此感測像素的影像感測結果。在本實施例中，差動放大器202可依據讀出電路214以及讀出電路215利用上、下斜坡信號所讀出的兩筆感測信號來輸出去除背景(雜訊)資訊的影像感測結果。如此一來，影像感測器可依據如圖1所示的感測陣列110的感測像素111_1~111_N產生一張具有低背景雜訊的感測影像。
具體而言，感測像素210透過讀出電路214以及讀出電路215在一個讀出期間中分別讀出感測像素210的儲存電路212所儲存的第一影像感測信號以及參考信號，並且感測像素220透過讀出電路215以及讀出電路224在下一個第一讀出期間分別依據感測像素220的儲存電路222所儲存的另一第一影像感測信號以及另一參考信號(並且搭配上、下斜坡信號)來輸出第三讀出信號以及第四讀出信號至差動放大器202的第一輸入端以及第二輸入端。
並且，感測像素210的儲存電路213可儲存光電二極體211在下一個圖框期間中的下一曝光期間所提供的下一第一影像感測信號，並且儲存電路212為閒置狀態。讀出電路214以及讀出電路215同時依據下一參考信號以及下一第一影像感測信號(並且搭配上、下斜坡信號)來輸出下一第三讀出信號以及下一第四讀出信號至差動放大器202的第二輸入端以及第一輸入端(經由多工器電路交換)。值得注意的是，下一個圖框期間中的下一曝光期間可與當前圖框期間中的讀出期間未重疊。或者，下一個圖框期間中的下一曝光期間可與當前圖框期間中的讀出期間重疊。
圖3是本發明的一實施例的多個感測像素的電路示意圖。參考圖3，本實施例的感測像素電路300用於說明多個感測像素的感測電路配置。在本實施例中，光電二極體PD1~PD4分別屬於鄰近的不同感測像素。重置開關rst11的第一端耦接重置信號。光電二極體PD1耦接重置開關rst11的第二端、儲存電路312以及儲存電路313。重置開關rst21的第一端耦接重置信號。光電二極體PD2耦接重置開關rst21的第二端、儲存電路322以及儲存電路323。重置開關rst31的第一端耦接重置信號。光電二極體PD3耦接重置開關rst31的第二端、儲存電路332以及儲存電路333。重置開關rst41的第一端耦接重置信號。光電二極體PD4耦接重置開關rst41的第二端、儲存電路342以及儲存電路343。儲存電路312耦接讀出電路314。儲存電路313耦接讀出電路315。儲存電路322耦接讀出電路315。儲存電路323耦接讀出電路324。儲存電路332耦接讀出電路324。儲存電路333耦接讀出電路334。儲存電路342耦接讀出電路334。換言之，讀出電路315、324、334分別由鄰近的兩個儲存電路共享，並且像素陣列中的其他感測像素、儲存電路及讀出電路的配置可以此類推。
在本實施例中，儲存電路312包括輸出開關gtx11以及儲存單元SN11。儲存電路313包括輸出開關gtx12以及儲存單元SN12。儲存電路322包括輸出開關gtx21以及儲存單元SN21。儲存電路323包括輸出開關gtx22以及儲存單元SN22。儲存電路332包括輸出開關gtx31以及儲存單元SN31。儲存電路333包括輸出開關gtx32以及儲存單元SN32。儲存電路342包括輸出開關gtx41以及儲存單元SN41。儲存電路343包括輸出開關gtx42以及儲存單元SN42。在本實施例中，儲存電路312的輸出開關gtx11的第一端耦接光電二極體PD1。儲存電路312的儲存單元SN11耦接輸出開關GTX11的第二端。在本實施例中，儲存電路313、322、323、332、333、342、343的內部元件耦接關係如同儲存電路312，因此不多加贅述。在本實施例中，儲存單元SN11、SN12、SN21、SN22、SN31、SN32、SN41、SN42可分別為電容或未受光的光電二極體，但本發明並不限於此。
在本實施例中，讀出電路314包括輸出開關rtx11、讀出開關rout11、選擇開關se11、重置開關rst12以及斜坡電容Cr11。重置開關rst12的第一端耦接另一重置信號。斜坡電容Cr11的第一端耦接斜坡信號Vramp11。讀出電路315包括輸出開關rtx12、輸出開關rtx13、讀出開關rout12、選擇開關se12、重置開關rst13以及斜坡電容Cr12。重置開關rst13的第一端耦接另一重置信號。斜坡電容Cr12的第一端耦接斜坡信號Vramp12。讀出電路324包括輸出開關rtx21、輸出開關rtx22、讀出開關rout21、選擇開關se21、重置開關rst22以及斜坡電容Cr21。重置開關rst22的第一端耦接另一重置信號。斜坡電容Cr21的第一端耦接斜坡信號Vramp21。讀出電路334包括輸出開關rtx31、輸出開關rtx32、讀出開關rout22、選擇開關se22、重置開關rst23以及斜坡電容Cr22。重置開關rst23的第一端耦接另一重置信號。斜坡電容Cr22的第一端耦接斜坡信號Vramp22。
在本實施例中，讀出電路314的輸出開關rtx11的第一端耦接儲存單元SN11。讀出電路314的讀出開關rout11的控制端耦接輸出開關rtx11的第二端。讀出電路314的選擇開關se11的第一端耦接讀出開關rout11的第一端。讀出電路314的重置開關rst12的第二端耦接輸出開關rtx11的第二端。斜坡電容Cr11的第二端耦接輸出開關rtx11的第二端。在本實施例中，讀出電路315的輸出開關rtx12的第一端耦接儲存單元SN12。讀出電路315的輸出開關rtx13的第一端耦接儲存單元SN21。讀出電路315的讀出開關rout12的控制端耦接輸出開關rtx12的第二端以及輸出開關rtx13的第二端。讀出電路315的選擇開關se12的第一端耦接讀出開關rout12的第一端。讀出電路315的重置開關rst13的第二端耦接輸出開關rtx12的第二端以及輸出開關rtx13的第二端。斜坡電容Cr12的第二端耦接輸出開關rtx12的第二端以及輸出開關rtx13的第二端。
在本實施例中，讀出電路315、324、334的內部元件耦接關係如同讀出電路314，因此不多加贅述。儲存單元SN21、SN22、SN31、SN32、SN41、SN42與讀出電路315、324、334的耦接關係可如上述儲存單元SN11及儲存單元SN12與讀出電路314以及讀出電路315的耦接方式，因此亦不多加贅述。值得注意的是，選擇開關se11以及選擇開關se21的第二端耦接至多工器電路301的第一輸入端，並且選擇開關se12以及選擇開關se22的第二端耦接至多工器電路301的第二輸入端。多工器電路301的第一輸出端耦接差動放大器302的第一輸入端，並且多工器電路301的第二輸出端耦接差動放大器302的第二輸入端。多工器電路301可選擇性地將選擇開關se11或選擇開關se21輸出的讀出信號提供至差動放大器302的第一輸入端或第二輸入端，並且多工器電路301可選擇性地將選擇開關se12以及選擇開關se22輸出的讀出信號提供至差動放大器302的第二輸入端或第一輸入端。
圖4是本發明的第一實施例的影像感測方法的流程圖。圖5是本發明的第一實施例的多個信號的信號時序圖。參考圖3至圖5，以下說明以光電二極體PD1、儲存電路312、儲存電路313、讀出電路314以及讀出電路315的操作為例，並且影像感測器的全部感測像素的操作可以類推。輸出開關gtx11、輸出開關gtx12、輸出開關rtx11、輸出開關rtx12、重置開關rst11、重置開關rst12、重置開關rst13、選擇開關se11以及選擇開關se12可操作如圖5所示的時序S_rst11、S_gtx11、S_gtx12、S_rst12、S_rst13、S_rtx11、S_rtx12、S_se11以及S_se12。值得注意的是，圖5僅表示影像感測器的部分操作時序，而其他開關的切換信號以及其他信號時序可以類推。本發明的影像感測器的可適用操作時序也不僅限於圖5。
在步驟S410，影像感測器可透過儲存電路312儲存光電二極體PD1在一個圖框期間的第一曝光期間中所提供的第一動態視覺感測信號。在步驟S420，影像感測器可透過儲存電路313儲存光電二極體PD1在此一個圖框期間的第二曝光期間中所提供的第二動態視覺感測信號。在步驟S430，影像感測器可透過讀出電路314以及讀出電路315同時依據第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號輸出第一讀出信號以及第二讀出信號至差動放大器的第一輸入端以及第二輸入端。值得注意的是，其他感測像素可重複執行如上述步驟S410~S430。
具體而言，在本實施例中，當影像感測器操作在動態視覺感測模式時，依據時序S_rst11、S_gtx11、S_gtx12，光電二極體PD1在時間t1、t3分別進行兩次曝光操作(光電二極體PD2~PD4也依據時序S_rst11、S_gtx11、S_gtx12同時曝光兩次)，並且光電二極體PD1的兩次曝光操作分別在時間t2、t4被讀出以儲存至儲存單元SN11及儲存單元SN12。輸出開關gtx11、gtx21、gtx31、gtx41可接收相同的切換信號而操作以相同時序S_gtx11。輸出開關gtx12、gtx22、gtx32、gtx42可接收相同的切換信號而操作以相同時序S_gtx12。因此，儲存電路311的儲存單元SN11儲存光電二極體PD1在一個圖框期間(時間t0至時間t15)的第一曝光期間(時間t1至時間t2)中所提供的第一動態視覺感測信號，並且儲存電路312儲存光電二極體PD1在此一個圖框期間(時間t0至時間t15)的第二曝光期間(時間t3至時間t4)中所提供的第二動態視覺感測信號。接著，依據時序S_rst12、S_rst13、S_rtx11、S_rtx12，讀出電路314、315的信號讀出路徑上的浮動擴散(Floating Diffusion，FD)節點的電位可在時間t7先被重置，並且斜坡信號Vramp11以及斜坡信號Vramp12分別在時間t7至時間t8之間分別具有小的上斜坡波形以及下斜坡波形。接著，儲存單元SN11及儲存單元SN12所儲存的資訊可在時間t8開始被讀出。對此，依據時序S_se11以及S_se12在時間t6至時間t9為導通狀態，因此讀出電路314以及讀出電路315可同時依據第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號輸出第一讀出信號以及第二讀出信號至差動放大器的第一輸入端以及第二輸入端。讀出電路314可依據上斜坡信號(斜坡信號Vramp11)以及第一動態視覺感測信號輸出第一讀出信號，並且讀出電路315可依據下斜坡信號(斜坡信號Vramp12)以及第二動態視覺感測信號輸出第二讀出信號。因此，光電二極體PD1所提供的第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號的比較結果可被有效地讀出至後段信號處理電路進行分析，以產生對應於光電二極體PD1的感測像素的動態視覺感測資訊。
接著，對於光電二極體PD2的兩次曝光結果，依據時序S_se12以及S_se21在時間t10至時間t11為導通狀態，因此搭配斜坡信號Vramp12在時間t10至時間t11轉換為上斜坡信號，並且搭配斜坡信號Vramp21在時間t10至時間t11為下斜坡信號，讀出電路315以及讀出電路324可在時間t10至時間t11分別讀出光電二極體PD2所提供的第一動態視覺感測信號以及第二動態視覺感測信號，以使產生對應於光電二極體PD2的感測像素的動態視覺感測資訊。以此類推，在時間t12至時間t13之間，影像感測器可透過讀出電路324以及讀出電路334取得對應於光電二極體PD3的感測像素的動態視覺感測資訊。在時間t13至時間t14之間，影像感測器可透過讀出電路334以及下一級讀出電路取得對應於光電二極體PD4的感測像素的動態視覺感測資訊。相較於某些動態視覺感測器是使用相鄰光電二極體的兩個感測資訊來進行差動輸出，本實施例使用相同光電二極體的兩個感測資訊來進行差動輸出，因此，本實施例的影像感測器可有效地取得具有較低失真的動態視覺感測資訊，並且可以透過相鄰感測像素共用讀出電路的方式來節省電路面積以及感測器成本。
另外，值得注意的是，當本實施例的影像感測器操作在動態視覺感測模式中，影像感測器的多個感測像素的多個光電二極體在此一個圖框期間中的第一曝光期間是進行第一全局快門(Global shutter)曝光操作，並且全部光電二極體在此一個圖框期間中的第二曝光期間是進行第二全局快門曝光操作。並且，影像感測器還可包括如圖3的多個讀出電路，並且這些讀出電路在此一個圖框期間中的多個讀出期間中是進行捲簾讀出操作(Rolling readout)。
圖6是本發明的第二實施例的影像感測方法的流程圖。圖7是本發明的第二實施例的信號時序圖。參考圖3、圖6至圖7，以下說明以光電二極體PD1、儲存電路312、儲存電路313、讀出電路314以及讀出電路315的操作為例，並且影像感測器的全部感測像素的操作可以類推。輸出開關gtx11、gtx12、rtx11、rtx12、rtx13、rtx21、rtx22、重置開關rst11、rst12、rst13、rst22、rst23、以及選擇開關se11、se12、se21、se22可操作如圖7所示的時序S_rst11、S_gtx11、S_rst12、S_rst13、S_rst22、S_rst23、S_rtx11、S_rtx12、S_rtx21、S_rtx22、S_rtx13、S_se11、S_se12、S_se21、S_se22。值得注意的是，圖7僅表示影像感測器的部分操作時序，而其他開關的切換信號以及其他信號時序可以類推。本發明的影像感測器的可適用操作時序也不僅限於圖7。
在步驟S610，影像感測器可透過儲存電路312(第一儲存電路)儲存光電二極體PD1在一個圖框期間中的曝光期間所提供的影像感測信號。在步驟S620，影像感測器可操作儲存電路313(第二儲存電路)在此一個圖框期間中為閒置狀態。在步驟S630，影像感測器可透過讀出電路314以及讀出電路315同時依據影像感測信號以及參考信號輸出讀出信號以及另一讀出信號至差動放大器302的第一輸入端以及第二輸入端。值得注意的是，其他感測像素可重複執行如上述步驟S610~S630。然而，步驟S610~S630的執行順序不限於上述說明。在一實施例中，影像感測器可同時執行步驟S610以及步驟S620。或者，在另一實施例中，影像感測器可先執行步驟S620，在接著執行步驟S610。
具體而言，在本實施例中，當影像感測器操作在影像感測模式時，依據時序S_rst11、S_gtx11，光電二極體PD1在時間t1進行曝光操作(光電二極體PD2~PD4也依據時序S_rst11、S_gtx11同時進行曝光操作)，並且光電二極體PD1的曝光操作在時間t2被讀出以儲存至儲存單元SN11。儲存單元SN12為閒置狀態。輸出開關gtx11、gtx21、gtx31、gtx41可接收相同的切換信號而操作以相同時序S_gtx11。因此，儲存電路312的儲存單元SN11儲存光電二極體PD1在一個圖框期間(時間t0至時間t17)的曝光期間(時間t0至時間t3)中所提供的影像感測信號。接著，依據時序S_rst12、S_rst13、S_rtx11、S_rtx12，讀出電路314、315的信號讀出路徑上的浮動擴散(Floating Diffusion，FD)節點的電位可在時間t5先被重置，並且斜坡信號Vramp11以及斜坡信號Vramp12分別在時間t5至時間t6之間分別具有小的上斜坡波形以及下斜坡波形。接著，儲存單元SN11所儲存的資訊可在時間t6開始被讀出。對此，依據時序S_se11以及S_se12在時間t4至時間t7為導通狀態，因此讀出電路314可依據影像感測信號以輸出第一讀出信號至差動放大器的第一輸入端。並且，讀出電路315可依據讀出電路的訊號傳遞路徑上的參考信號(線路背景訊號或雜訊)來讀出具有背景(或雜訊)資訊的第二讀出信號至差動放大器302的第二輸入端。由於讀出電路314取得的影像感測信號亦有相同背景(或雜訊)資訊，因此差動放大器302的輸出端可輸出去背景雜訊的影像感測信號。讀出電路314可依據上斜坡信號(斜坡信號Vramp11)以及影像感測信號輸出第一讀出信號，並且讀出電路315可依據下斜坡信號(斜坡信號Vramp12)以及參考信號輸出第二讀出信號。因此，光電二極體PD1所提供的影像感測信號可被有效地讀出至後段信號處理電路進行分析，以產生對應於光電二極體PD1的感測像素的影像感測資訊。
接著，對於光電二極體PD2的曝光結果，依據時序S_se12以及S_se21在時間t8至時間t11為導通狀態，因此搭配斜坡信號Vramp12在時間t8至時間t11轉換為上斜坡信號，並且搭配斜坡信號Vramp21在時間t8至時間t11為下斜坡信號，讀出電路315以及讀出電路324可在時間t8至時間t11分別讀出光電二極體PD2所提供的影像感測信號，以使產生對應於光電二極體PD2的感測像素的影像感測資訊。以此類推，在時間t12至時間t15之間，搭配斜坡信號Vramp21以及斜坡信號Vramp22，影像感測器可透過讀出電路324以及讀出電路334取得對應於光電二極體PD3的感測像素的影像感測資訊。在時間t15至時間t16之間，影像感測器可透過讀出電路334以及下一級讀出電路取得對應於光電二極體PD4的感測像素的影像感測資訊。換言之，本實施例的影像感測器可有效地取得具有較低失真的影像感測資訊，並且可以透過相鄰感測像素共用讀出電路的方式來節省電路面積以及感測器成本。
另外，值得注意的是，當本實施例的影像感測器操作在影像感測模式時，影像感測器的全部光電二極體在此一個圖框期間中的曝光期間是進行全局快門曝光操作。並且，影像感測器還可包括如圖3的多個讀出電路，並且這些讀出電路在此一個圖框期間中的多個讀出期間中是進行捲簾讀出操作。
另外，值得注意的是，當本實施例的影像感測器操作在影像感測模式時，有一半的儲存單元為閒置，因此可以在讀出電路進行捲簾快門讀出操作時，同時進行下一次的全局快門曝光操作，而曝光資訊儲存於該閒置的儲存單元。如此一來，可以提升影像感測的影格率(frame rate)。換言之，當影像感測器執行第一次的影像感測的捲簾快門讀出操作時，可同時執行第二次影像感測的全局快門曝光操作。
圖8是本發明的第二實施例的另一信號時序圖。圖8的信號時序可適用於圖6的操作流程的另一實施例。參考圖3及圖8，以下說明以光電二極體PD1、光電二極體PD2、儲存電路312、儲存電路313、讀出電路314以及讀出電路315的操作為例，並且影像感測器的全部感測像素的操作可以類推。輸出開關gtx11、rtx11、rtx12、rtx13、rtx21、rtx22、rtx32、重置開關rst11、rst12、rst13、rst22、rst23以及選擇開關se11、se12、se21、se22可操作如圖8所示的時序S_rst11、S_gtx11、S_rst12、S_rst13、S_rst22、S_rst23、S_rtx11、S_rtx12、S_rtx13、S_rtx21、S_rtx22、S_rtx32、S_se11、S_se12、S_se21、S_se22。值得注意的是，圖8僅表示影像感測器的部分操作時序，而其他開關的切換信號以及其他信號時序可以類推。本發明的影像感測器的可適用操作時序也不僅限於圖8。
具體而言，在本實施例中，當影像感測器操作在影像感測模式時，依據時序S_rst11、S_gtx11，光電二極體PD1在時間t1進行曝光操作(光電二極體PD2~PD4也依據時序S_rst11、S_gtx11，同時進行曝光操作)，並且光電二極體PD1的曝光操作在時間t2被讀出以儲存至儲存單元SN11。儲存單元SN12為閒置狀態。輸出開關gtx11、gtx21、gtx31、gtx41可接收相同的切換信號而操作以相同時序S_gtx11。因此，儲存電路312的儲存單元SN11儲存光電二極體PD1在一個圖框期間(時間t0至時間t16)的曝光期間(時間t0至時間t3)中所提供的第一影像感測信號。接著，依據時序S_rst12、S_rst13、S_rtx11、S_rtx12，讀出電路314、315的信號讀出路徑上的浮動擴散節點的電位可在時間t5先被重置，並且斜坡信號Vramp11以及斜坡信號Vramp12分別在時間t5至時間t6之間分別具有小的上斜坡波形以及下斜坡波形。接著，儲存單元SN11所儲存的資訊可在時間t6開始被讀出。對此，依據時序S_se11以及S_se12在時間t4至時間t7為導通狀態，因此讀出電路314可依據第一影像感測信號以輸出第一讀出信號至差動放大器302的第一輸入端。並且，讀出電路315可依據讀出電路的訊號傳遞路徑上的參考信號(線路背景訊號或雜訊)來讀出具有背景(或雜訊)資訊的第二讀出信號至差動放大器的第二輸入端。由於讀出電路314取得的影像感測信號亦有相同背景(或雜訊)資訊，因此差動放大器302的輸出端可輸出去背景雜訊的影像感測信號。讀出電路314可依據上斜坡信號(斜坡信號Vramp11)以及影像感測信號輸出第一讀出信號，並且讀出電路315可依據下斜坡信號(斜坡信號Vramp12)以及參考信號輸出第二讀出信號。因此，光電二極體PD1所提供的影像感測信號可被有效地讀出至後段信號處理電路進行分析，以產生對應於光電二極體PD1的感測像素的影像感測資訊。
接著，光電二極體PD2的曝光結果可被讀出以儲存至儲存單元SN21。儲存單元SN22為閒置狀態。因此，儲存電路322的儲存單元SN21儲存光電二極體PD2在同一個圖框期間(時間t0至時間t16)的曝光期間(時間t0至時間t3)中所提供的第二影像感測信號。接著，依據時序S_rst12、S_rst13、S_rtx11、S_rtx13，讀出電路314、315的信號讀出路徑上的浮動擴散節點的電位可在時間t7先被重置，並且斜坡信號Vramp11以及斜坡信號Vramp12分別在時間t7至時間t8之間分別轉換為具有小的下斜坡波形以及上斜坡波形。接著，儲存單元SN21所儲存的資訊可在時間t8開始被讀出。先說明的是，此時的多工器電路301的狀態為將讀出電路314耦接至差動放大器302的第二輸入端，並且將讀出電路315耦接至差動放大器302的第一輸入端，以保持正確的極性。對此，依據時序S_se11以及S_se12在時間t7至時間t9保持為導通狀態，因此讀出電路314可依據讀出電路的訊號傳遞路徑上的另一參考信號(線路背景訊號或雜訊)來讀出具有背景(或雜訊)資訊的另一第一讀出信號至差動放大器的第二輸入端。並且，讀出電路315可依據第二影像感測信號以輸出另一第二讀出信號至差動放大器302的第一輸入端。由於讀出電路315取得的影像感測信號亦有相同背景(或雜訊)資訊，因此差動放大器的輸出端可輸出去背景雜訊的第二影像感測信號。讀出電路314可依據下斜坡信號(斜坡信號Vramp11)以及另一參考信號輸出第二讀出信號，並且讀出電路315可依據上斜坡信號(斜坡信號Vramp12)以及第二影像感測信號輸出第二讀出信號。因此，光電二極體PD2所提供的影像感測信號可被有效地讀出至後段信號處理電路進行分析，以產生對應於光電二極體PD2的感測像素的影像感測資訊。
以此類推，對於光電二極體PD3以及光電二極體PD4的曝光結果，依據斜坡信號Vramp21、斜坡信號Vramp22、時序S_rst22以及時序S_rst23，在時間t11至時間t13，光電二極體PD3的感測像素的影像感測資訊以及背景(或雜訊)資訊可被讀出電路324以及讀出電路334讀出，以使產生對應於光電二極體PD3的感測像素的影像感測資訊。在時間t13至時間t15，光電二極體PD4的感測像素的影像感測資訊以及背景(或雜訊)資訊可被讀出電路334以及讀出電路324讀出，以使產生對應於光電二極體PD4的感測像素的影像感測資訊。換言之，本實施例的影像感測器可有效地取得具有較低失真的影像感測資訊，並且可以透過相鄰感測像素共用讀出電路的方式來節省電路面積以及感測器成本。
另外，值得注意的是，當本實施例的影像感測器操作在影像感測模式時，影像感測器的全部光電二極體在此一個圖框期間中的曝光期間是進行全局快門曝光操作。並且，影像感測器還可包括如圖3的多個讀出電路，並且這些讀出電路在此一個圖框期間中的多個讀出期間中是進行捲簾讀出操作。
另外，值得注意的是，當本實施例的影像感測器操作在影像感測模式時，有一半的儲存單元為閒置，因此可以在讀出電路進行捲簾快門讀出操作時，同時進行下一次的全局快門曝光操作，而曝光資訊儲存於該閒置的儲存單元。如此一來，可以提升影像感測的影格率。
綜上所述，本發明的影像感測器以及影像感測方法，可取得具有較低失真的動態視覺感測結果以及較低背景雜訊的影像感測結果與較高的影格率，並且可使本發明的影像感測器可採用較低硬體成本來實現動態視覺感測功能以及影像感測功能。
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:感測陣列 111_1~111_N:感測像素 120:信號處理電路 200、300:感測像素電路 210~240:感測像素 211~241:光電二極體 212、213、222、223、232、233、242、243、312、313、322、323、332、333、342、343:儲存電路 214、215、224、234、244、314、315、324、334:讀出電路 201、301:多工器電路 202、302:差動放大器 SN11、SN12、SN21、SN22、SN31、SN32、SN41、SN42:儲存單元 PD1~PD4:光電二極體 rst11、rst12、rst13、rst21、rst22、rst23、rst31、rst41:重置開關 gtx11、gtx12、gtx21、gtx22、gtx31、gtx32、gtx41、gtx42、rtx11、rtx12、rtx13、rtx21、rtx22、rtx31、rtx32:輸出開關 rout11、rout12、rout21、rout22:讀出開關 se11、se12、se21、se22:選擇開關 Cr11、Cr12、Cr21、Cr22:斜坡電容 Vramp11、Vramp12、Vramp21、Vramp22:斜坡信號 S_rst11、S_rst12、S_rst13、S_rst22、S_rst23、S_gtx11、S_rtx11、S_rtx12、S_rtx13、S_rtx21、S_rtx22、S_rtx32、S_se11、S_se12、S_se21、S_se22:時序 t0~t17:時間 S410、S420、S430、S610、S620、S630:步驟
圖1是本發明的一實施例的影像感測器的示意圖。 圖2是本發明的一實施例的感測像素的示意圖。 圖3是本發明的一實施例的多個感測像素的電路示意圖。 圖4是本發明的第一實施例的影像感測方法的流程圖。 圖5是本發明的第一實施例的多個信號的信號時序圖。 圖6是本發明的第二實施例的影像感測方法的流程圖。 圖7是本發明的第二實施例的信號時序圖。 圖8是本發明的第二實施例的另一信號時序圖。
200:感測像素電路
201:多工器電路
202:差動放大器
210、220、230、240:感測像素
211、221、231、241:光電二極體
212、213、222、223、232、233、242、243:儲存電路
214、215、224、234、244:讀出電路

Claims (20)

  1. 一種影像感測器，包括： 一感測像素，包括： 一光電二極體； 一第一儲存電路，耦接該光電二極體； 一第一讀出電路，耦接該第一儲存電路以及前一級感測像素的另一第二儲存電路； 一第二儲存電路，耦接該光電二極體；以及 一第二讀出電路，耦接該第二儲存電路以及下一級感測像素的另一第一儲存電路， 其中當該影像感測器操作在一動態視覺感測模式中，該第一儲存電路儲存該光電二極體在一第一圖框期間的一第一曝光期間中所提供的一第一動態視覺感測信號，並且該第二儲存電路儲存該光電二極體在該第一圖框期間的一第二曝光期間中所提供的一第二動態視覺感測信號， 其中該第一讀出電路以及該第二讀出電路同時依據該第一動態視覺感測信號以及該第二動態視覺感測信號輸出一第一讀出信號以及一第二讀出信號至一差動放大器的一第一輸入端以及一第二輸入端。
  2. 如請求項1所述的影像感測器，其中該第一讀出電路依據一第一上斜坡信號以及該第一動態視覺感測信號輸出該第一讀出信號，並且該第二讀出電路依據一第一下斜坡信號以及該第二動態視覺感測信號輸出該第二讀出信號。
  3. 如請求項1所述的影像感測器，還包括多個感測像素，並且該些感測像素包括多個光電二極體，其中當該影像感測器操作在該動態視覺感測模式中，該些光電二極體在該第一圖框期間中的該第一曝光期間進行一第一全局快門曝光操作，並且該些光電二極體在該第一圖框期間中的該第二曝光期間進行一第二全局快門曝光操作， 其中該影像感測器還包括多個第一讀出電路以及多個第二讀出電路，並且該些第一讀出電路以及該些第二讀出電路在該第一圖框期間中的多個第一讀出期間中進行一第一捲簾讀出操作。
  4. 如請求項3所述的影像感測器，其中該感測像素透過該第一讀出電路以及該第二讀出電路在該些第一讀出期間的其中之一個中分別讀出該感測像素的該第一儲存電路以及該第二儲存電路所儲存的該第一動態視覺感測信號以及該第二動態視覺感測信號，並且在該些第一讀出期間的其中之下一個中，該下一級感測像素透過該第二讀出電路以及另一第二讀出電路在該些第一讀出期間的其中之下一個中分別讀出該下一級感測像素的該另一第一儲存電路以及又一第二儲存電路的另一第一動態視覺感測信號以及另一第二動態視覺感測信號， 其中該另一第二讀出電路還耦接下下一級感測像素的又一第一儲存電路。
  5. 如請求項1所述的影像感測器，當該影像感測器操作在一影像感測模式中，該第一儲存電路儲存該光電二極體在一第二圖框期間中的一第三曝光期間所提供的一第一影像感測信號，並且該第二儲存電路為一閒置狀態，其中該第一讀出電路以及該第二讀出電路同時依據該第一影像感測信號以及一參考信號輸出一第三讀出信號以及一第四讀出信號至該差動放大器的該第一輸入端以及該第二輸入端。
  6. 如請求項5所述的影像感測器，其中該影像感測器交替操作為該動態視覺感測模式與該影像感測模式。
  7. 如請求項5所述的影像感測器，其中該第一讀出電路依據一第二上斜坡信號以及該第一影像感測信號輸出該第三讀出信號，並且該第二讀出電路依據一第二下斜坡信號以及該參考信號輸出該第四讀出信號。
  8. 如請求項5所述的影像感測器，還包括多個光電二極體，當該影像感測器操作在該影像感測模式中，該些光電二極體在該第二圖框期間中的該第三曝光期間進行一第三全局快門曝光操作， 其中該影像感測器還包括多個第一讀出電路以及多個第二讀出電路，並且該些第一讀出電路以及該些第二讀出電路在該第二圖框期間中的多個第二讀出期間中進行一第二捲簾讀出操作。
  9. 如請求項8所述的影像感測器，其中該感測像素透過該第一讀出電路以及該第二讀出電路在該些第二讀出期間的其中之一個中分別讀出該感測像素的該第一儲存電路所儲存的該第一影像感測信號以及該參考信號，並且該下一級感測像素透過該第二讀出電路以及另一第二讀出電路在該些第二讀出期間的其中之下一個中分別讀出該下一級感測像素的另一第一儲存電路所儲存的另一第一影像感測信號以及另一參考信號， 其中該另一第二讀出電路還耦接下下一級感測像素的又一第一儲存電路。
  10. 如請求項9所述的影像感測器，其中當該影像感測器操作在該影像感測模式中，該第二儲存電路儲存該光電二極體在下一第二圖框期間中的下一第三曝光期間所提供的下一第一影像感測信號，並且該第一儲存電路為一閒置狀態，其中該第一讀出電路以及該第二讀出電路同時依據下一參考信號以及該下一第一影像感測信號輸出下一第三讀出信號以及下一第四讀出信號至該差動放大器的該第二輸入端以及該第一輸入端。
  11. 如請求項10所述的影像感測器，其中該下一第三曝光期間與該些第二讀出期間未重疊。
  12. 如請求項10所述的影像感測器，其中該下一第三曝光期間與該些第二讀出期間重疊。
  13. 如請求項1所述的影像感測器，其中該感測像素還包括： 一第一重置開關，其中該第一重置開關的一第一端耦接一第一重置信號，並且該第一重置開關的一第二端耦接該光電二極體。
  14. 如請求項1所述的影像感測器，其中該第一儲存電路包括： 一第一輸出開關，其中該第一輸出開關的一第一端耦接該光電二極體；以及 一第一儲存單元，耦接該第一輸出開關的一第二端； 其中該第二儲存電路包括： 一第二輸出開關，其中該第二輸出開關的一第一端耦接該光電二極體；以及 一第二儲存單元，耦接該第二輸出開關的一第二端。
  15. 如請求項14所述的影像感測器，其中該第一儲存單元以及該第二儲存單元可分別為一電容或一未受光的光電二極體。
  16. 如請求項15所述的影像感測器，其中該第一讀出電路包括： 一第三輸出開關，其中該第三輸出開關的一第一端耦接該第一儲存單元； 一第一讀出開關，其中該第一讀出開關的一控制端耦接該第三輸出開關的一第二端；以及 一第一選擇開關，其中該第一選擇開關的一第一端耦接該第一讀出開關的一第一端； 其中該第二讀出電路包括： 一第四輸出開關，其中該第四輸出開關的一第一端耦接該第二儲存單元； 一第二讀出開關，其中該第二讀出開關的一控制端耦接該第四輸出開關的一第二端；以及 一第二選擇開關，其中該第二選擇開關的一第一端耦接該第二讀出開關的一第一端。
  17. 如請求項16所述的影像感測器，其中該第一讀出電路還包括： 一第二重置開關，其中該第二重置開關的一第一端耦接一第二重置信號，並且該第二重置開關的一第二端耦接該第三輸出開關的該第二端； 其中該第二讀出電路還包括： 一第三重置開關，其中該第三重置開關的一第一端耦接一第三重置信號，並且該第三重置開關的一第二端耦接該第四輸出開關的該第二端。
  18. 如請求項16所述的影像感測器，其中該第一讀出電路還包括： 一第一斜坡電容，其中該第一斜坡電容的一第一端耦接一第一斜坡信號，並且該第一斜坡電容的一第二端耦接該第三輸出開關的該第二端； 其中該第二讀出電路還包括： 一第二斜坡電容，其中該第二斜坡電容的一第一端耦接一第二斜坡信號，並且該第二斜坡電容的一第二端耦接該第四輸出開關的該第二端。
  19. 一種影像感測方法，包括： 當一影像感測器操作在一動態視覺感測模式中， 透過一第一儲存電路儲存一光電二極體在一第一圖框期間的一第一曝光期間中所提供的一第一動態視覺感測信號； 透過一第二儲存電路儲存該光電二極體在該第一圖框期間的一第二曝光期間中所提供的一第二動態視覺感測信號；以及 透過一第一讀出電路以及一第二讀出電路同時依據該第一動態視覺感測信號以及該第二動態視覺感測信號輸出一第一讀出信號以及一第二讀出信號至一差動放大器的一第一輸入端以及一第二輸入端， 其中該第一讀出電路耦接該第一儲存電路以及前一級感測像素的另一第二儲存電路，並且該第二讀出電路耦接該第二儲存電路以及下一級感測像素的另一第一儲存電路。
  20. 如請求項19所述的影像感測方法，還包括： 當該影像感測器操作在一影像感測模式中， 透過該第一儲存電路儲存該光電二極體在一第二圖框期間中的一第三曝光期間所提供的一第一影像感測信號； 操作該第二儲存電路在該第二圖框期間中為一閒置狀態；以及 透過該第一讀出電路以及該第二讀出電路同時依據該第一影像感測信號以及一參考信號輸出一第三讀出信號以及一第四讀出信號至該差動放大器的該第一輸入端以及該第二輸入端。
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