TW421957B - Active pixel CMOS sensor with multiple storage capacitors - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明背景 1 .技術領域 本發明係有關影像捕獲。更具體而言，本發明係有關使 複數個儲存元件與一感光元件相關聯。 2 .相關技術 影像感測器在最近數年中已愈來愈普及，且數位影像捕 獲技術也突飛猛進。通常係自以若干列及行的像素構成的 影像感測陣列得到數位影像^在一個時點上，或者可能在 某一段平均時間中，每一像素在該影像感測陣列的一點上 儲存一個對應於光位準之電荷。圖1示出一像素實例之電路 簡圖。係將感光元件（1 〇)配置成可收集入射光。該感光元件 (10)可以是諸如一光電二極體。一重定電晶體（12)係以與感 光元件（10)串聯之方式耦合於該感光元件與電源電壓Vcc之 間》—重定信號驅動重定電晶體（丨2)之閘極，而當觸發該重 定信號時，將使重定電晶體（12)與感光元件（1〇)間的—抽樣 節點（20)上之電壓唯—已知電壓（在此圖中爲Vcc)。一抽樣 電晶體（14)係耦合於拙樣節點（2〇)與—節點（22)之間。儲存 元件（1 6)係耦合於捕獲節點（22)與接地點之間。收集節點 (22)上的電壓驅動讀出電晶體（18)之閘極。 一抽樣信號驅動抽樣電晶體（1句之閘極。於觸發該抽樣信 號時，此時對應於感光元件（1〇)上的光位準之電流出現在捕 獲節點（22)上，且由可以是一電容的儲存元件（丨6)捕獲該電 流=於停止觸發該抽樣信號時’電晶體（14)斷路，且電流並 不流經抽樣節點（20)與捕獲節點（22)之間。因此，儲存元件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---7!!—! — ·装 il!i 訂--------線 <請先閱讀背面之注意事項尸.V寫本頁) 195 7 Μ Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 06)上的電荷理論上將保持不變，纟到重新觸&該抽樣信號 馬止，而使捕獲節點（22)上的電壓與抽樣節點（2〇)上的電歷 相符。當利用電晶體在線性區域中工作的知識，而以驅動 讀出電晶體（18)的源極之起動信號使讀出電晶體（18)導通時 ，即在位7L線上讀出感光元件（10)先前儲存的影像之光位率 表示法。 雖然利用像素组態實施的影像感測陣列已相當成功，但 是在視訊應用或涉及移動的對象之應用中，影像感測陣列 並不特別有效3此種情形的部分原因在於：讀出時間可能 相當長，因而在各次曝光之間需要有一時間延遲。由於此 種缺點，可選擇的方式爲限制一數位照片的對象之移動， 或者利用後置處理將該物體移回到其原先應在的位置，而 得到較短的曝光時間。 此外，此種像素的動態範園可能較小。係由雜訊量及光 線產生的光電子之轉移函數界定動態範圍。決定對裝置相 當重要的基本雜訊位準，並將對應於所產生的光電子之信 號加在基本雜訊位準之上。當雜訊增加時，加入信號的空 間變小，因而將降低信號雜訊比。信號雜訊比也與時間有 關，因爲較長的抽樣時間將得到較多的雜訊及較多的信號 ，而較短的抽樣時間將得到較少的雜訊及較少的信號。因 此，由於雜訊降低對動態範園的影響，所以雜訊降低是相 當重要的。 〜 ' 最好是能增加動態範圍並降低雜訊的影響’且減少與以 數位方式捕獲移動中的物體有關之問題3 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS)A4規格（210 X 297公复） (請先閱讀背面之ji意事瑣/4寫本頁) 裝 訂· ，線. 421957 j A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印 五、發明說明（3 發明概诚 <本發月揭不了 一種使複數個儲存元件與一感光元件相關 聯之裝置。提供了一感光元件。複數個儲存元件分別與該 感光元件相關聯。 附圖簡诚 圖1是一習用技術像素組態之電路簡圖。 圖2疋本發明一實施例的一像素之電路簡圖。 圖3是採用本發明一實施例的—系統之方塊圖。 圖4是本發明的三個實施例的替代性流程之流程圖。 本發明之評細钱昍 圖2是本發明的一實施例之一般性電路簡圖。一感光元件 (10)係耦合於一收集節點（30)與—接地點之間。一重定電晶 體（I 2)係耦合於正電源電壓與抽樣節點（3〇)之間。一重定信 號驅動重定電晶體（12)之閘極，於觸發該重定信號時，將使 收集節點（30)成爲電源電壓Vcc之已知電壓a在一實施例中 ’該感光元件是偏壓設定在飽和區之光電二極體。複數個 抽樣電晶體之源極係耦合到抽樣節點（3〇)，該等抽樣電晶體 之没極係分別耦合到捕獲節點（32)、（42)、（52) ^對本門技 術具有一般知識者當可了解，電晶體性裝置，因此，在缺 少已知電壓的狀況中，對源極及汲極的指定是任意的。因 此，在某些工作點上，源極將連接到抽樣節點（3〇)，且汲極 係連接到捕獲節點（32)，而在其;工作點上，捕獲節點（32) 將連接到源極’且抽樣節點（3 〇)將連接到汲極。複數個抽樣 信號SAMPLE!、SAMPLE2、及SAMPLEN驅動拙樣電晶體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） ΙΙΊ-ΙΙ1 — — — —— —— - I I--II— ^ ------I (請先閱讀背面之注意事項#4寫本頁> rc經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4- 五、發明說明（4 ) (34W44)、（54)之問極，且諸如電容（36)的—儲存元件係 耦合於收集節點(32)與接地點之間…輪出電晶_之閉 極係棋合到收«點（32卜輸出電晶體之源極及没極係分別 耦合到-起動信號及-位元線。同樣地，儲存元件(46)係耦 合到收集節點（42)，且儲存元件（56)係耦合到節點（52)。在 孩實施例中，每一收集節點設有—輸出電晶體（38)、（48)、 (58)。 雖然我們設想到*多有N個（N是-個#意大的數）此種抽 樣電晶體、儲存元#、及輸出電晶體可概合到抽樣節點㈣ ，但是在由額外的插樣結構得到的更佳顯像能力與因較小 面積的陣列爲感光元件（10)所專用造成的較低填滿因數之間 ，我們預期的實際N數將在以上兩者之間取—折衷點。 圖3示出採用本發明一實施例之一系統。一影像感測陣列 (62)設有由若干列及若干行的像素所構成之感光區（64)。— 像素（60)可符合圖2所示之實施例。一控制電路（66)將抽樣 仏號及重足k號疋供給感光區（6 4)之每—像素。在一實施例 中’控制電路（66)包含若干定時器及一狀態機^ 一讀出電路 (68)係概合到影像感測陣列（62)，並接收每—像素（6〇)之輸 出。可在一積體電路單晶片（70)上實施影像感測陣列（62)及 讀出電路（68)。一記憶體（72)係耦合到讀出電路（68)，以便 儲存對應於該影像感測陣列所捕獲且爲讀出電路（68)所讀出 的一影像之値® ' 與每一感光元件相關聯的多個儲存元件可讓使用者迅速 立連續地取得多個影像圖框。適當調整抽樣信號時，可使 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） — — Ί — ---— — II - ---III ^Nill—ί 1·^- (請先閱讀背面之注意事項^寫本頁)

1、發明說明（5 ) 蛵濟部智慈財產局員工消費合作社印製 取得每一影像圖框的曝光時間重疊。這些特徵可得到更佳 的移動表示法及大幅的雜訊降低β 淪及移動表示法，此種迅速的連續將可得到—個更能代 表所感知之影像。正如同眼睛可將移動平均，該系統也可 將移動平均。例如，因不連續抽樣所造成的假信號問題可 fl匕使馬車的車輪看起來像是在反轉。使各樣本在時間上 重疊，並進行低通濾波，即可解決此種假信號問題。如果 抽樣率是一個足夠高的速率，則低通濾波將使馬車的車輪 看起來較模糊，而不是反轉。 如則文所述，係由雜訊量及光線產生的光電子之轉移函 數界足動態範圍。此外，如前文所述，此種情形與時間有 關，因爲較長的曝光時間將得到較多的雜訊及較多的信號 ，而較短的曝光時間將得到較少的雜訊及較少的信號s因 此，如果採取兩個曝光，其中一個具有較短的時間’而另 一個具有較長的時間，則其中一個將具有較少的雜訊，且 另個將具有更多的仏H。將該較少的雜訊與該更多的信 號結合時，即可獲致—個較大的動態範圍。將兩個曝光平 均時，可使雜訊降低與暫態雜訊及（或）特定成份雜訊相關。 不論是否使茲等曝光重疊，都可得到上述的結果。 在本發明的—實施例中’讀出―第—儲存元件中儲存的 —曝光，且該曝光係獨立於可能同時發生在另一儲存元件 之曝光：’因此’例如，請參閱圖、，如果於時間㈣時再 度觸發SAMPLE,，且於μ時觸發SAMpLE2,則可於㈤ 時讀出電容α中儲存的値，並可於時Μ卜2時重新觸發 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)Ail規格（210 χ 297公釐） ； , 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項广%寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印5衣 Α7 Β7 五、發明說明（6 ) SAM PLE"此種方式可得到視訊式的影像捕獲3 圖4是本發明的三個替代實施例中流程之流程圖s在功能 # .¾ (1丨0)中’重定影像感測陣列（Image Sensing Array ;簡 稱丨SA)、、在功能步驟（1丨2)中，使該iSA曝光，經由感光元 件而得到一光電流’並得到一對應於表面上光位準之電歷 D在功能步驟（1 14)中，重新觸發SAMPLE,，而自該感光元 件捕抆電壓。在功能步驟（〗]6)中，停止觸發SAMPLE,，並 重定丨SA ’因而.終止每一像素的第一儲存元件之捕獲期間 。在功能步驟（丨丨8)中，觸發s AM PLE2。在功能步驟（丨28)中 ，停止觸發SAMPLE2 ,因而終止該像素的第二儲存元件之 捕獲期間·>在功能步驟（1 2〇)中，也重定該丨SA。然後在功 能步驟（1 22)中，觸發起動信號，而得以讀出第—及第二儲 存電壓。可以同時或接續之方式進行該讀出。 在一替代實施例中，在功能步驟（丨丨4)中觸發S am PLE,之 後，亦可在觸發SAMPLEi的一段時間之後在功能步碟（2丨8) 中觸發SAMPLEZ。在功能步驟（2丨6)中，停止觸發SAMpLE| ^在功能步驟（220)中，停止觸發SAMpLE2 ^有可能觸發 SAM PLE:的總時間小於觸發SAM pLE】的總時間3在觸發 SAMPLE:之後，可在功能步驟（丨22)中讀出兩個電壓。 在另一替代實施例中，在功能步骤（U4)中觸發SAMpLEi I後，在功能步驟（3丨6)中停止觸發SAMPLEi ，並重定ISA '。在功也步驟（3 18)中觸發SAMpLEi。於觸發SAMpLE2時， 在功能㈣(33G)中讀出第__電壓。在功能步驟（3 2〇)中停止 觸發SAMPLE2 ’並重定ISA。然後可在功能步驟⑺4)中重 本紙張尺度適用中國國家標準fCN^^_(21〇x297 &爱） ---： I ^--II - — II -------- ·Ιιιιιιί — <請先閱讀背面之注意事項Γ^寫本頁) 421 95 7 A7 B7 五、發明說明（7 ) 新觸發SAMPLE,。在功能步驟（332)中讀出第二電壓，然後 在功能步骤（3丨6)中再度停止觸發SAMpLE, °在該實施例中 ，可進行視訊式捕獲。雖然圖4示出三種可能的抽樣配置’ 但是還存在有多種可能的其他抽樣配置’且係在本發明的 範園及搆想之内。 在前述的説明書中，已參照一些特定實施例而説明了本 發明。然而，我們當了解’在不脱離最後的申請專利範圍 所述的本發明之廣義精神及範圍下’仍可對本發明作出各 種修改及改變。因此，應將本説明書及各圖示視爲舉例， 而並非對本發明加以眼制。因此，本發明之範園只受限於 最後的申請專利範圍。 — 111111-^14 —— — — — — — 訂—I--1! I 線 (請先JM讀背面之注意事項r4寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. C- 〆， AS BB C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制私 、申請專利範圍 —種裝置，包含： —感光元件；以及 複數個儲存元件，每一儲存元件係與該感光元件相關 聯。 如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該等複數個儲存无件 是電容。 如申請專利範園第1嘀之裝置，進一步包含： —個耦合於一電源供應電壓與該感光元件間之重定電 晶體：以及 複數個抽樣電晶體，每一抽樣電晶體係耦合於該感光 元件與一儲存元件之間。 如申請專利範園第3項之裝置，其中每一抽樣電晶體係回 應一獨立的抽樣信號》 如申請專利範園第4項之裝置，進一步包含： —個耦合到該等抽樣電晶體之控制邏輯單元，用以產 生每一抽樣電晶體之抽樣信號。 如申請專利範圍第4項之裝置，其中： 觸發一第一抽樣電晶體之一抽樣信號’並以在時間上 重疊之方式觸發一第二抽樣電晶體之一抽樣信號° 如申請專利範圍第4項之裝置，其中係在觸發一第一抽樣 電晶體的一抽樣信號之後的小於—讀出時間内進行觸發 一第二抽樣電晶體的一抽樣信號。 一種系統，包含·· 一影像感測陣列，該影像感測陣列具有複數個感光凡 -11 - 本紙張尺度適用令固國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) ---.---„--------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項尹\寫本！) A8 B8 C8 D8 95 六、申請專利範圍 件’至少一個感光元件具有與其相關聯的複數個儲存元 件： 一请出電路，用以操取每_該等複數個儲存元件中儲 存的一値：以及 一個耦合到該讀出電路之記憶體，用以保存對應於該 項出値的一影像之表示法。 9.如申請專利範圍第8項之系统，其中該影像感測陣列進/ 步包含： 複數個抽樣電晶體，一抽樣電晶體係耦合於每一感光 元件與至少一個對應的感光元件之間；以及 —控制邏輯電路，用以控制將柚樣信號觸發到每，該 等複數個抽樣電晶體。 I 0.如申請專利範圍第9項之系統，其中該控制邏輯電路觸發 一第一拙樣信號，該第一抽樣信號對應於一個核合於^ 第一感光元件與一第一儲存元件間之第一抽樣電晶體， 且該控制邏輯電路觸發一第二抽樣信號，該第二抽樣信 號對應於一個耦合於該第一感光元件與一第二儲存元件 間之第二抽樣電晶體，使該第一抽樣信號之一第一觸發 期間與一第二抽樣信號之—第二觸發期間重疊=> 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'Λ 1丨.如申請專利範園第9項之系統，其中該控制邏輯電路觸發 一第一拙樣信號，該第一抽樣信號對應於一個輕合於’ 第一感光元件與一第一儲存元件間之第一抽樣電晶體， 且該控制邏輯電路觸發一第三抽樣信號，該第二抽樣信 號對應於一個耦合於該第一感光无件與一第二儲存元件 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格x 297公釐） 421 95? A8 B8 C8 D8 六 、申請專利範圍 ~~----- 經濟部智慧財產局員工消费合作杜印製 應於該感光元件上的光位準之電壓；以及 觸發H樣信號’使_第二儲存元件保存一個對 應於該感光元件上的光位準之電壓a 15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該第一觸發步碟係 在時間上與第二觸發步驟重疊。 16. =申請專利範園第Η項之方法，丨中該第一觸發步騎與 第二觸發步驟發生之間隔小於一讀出時間a 丨7.如申請專利範園第Μ項之方法，進—步包含下列步驟： 於觸發該第二抽樣信號時，開始該第—儲存元件之讀 出。 :之第二抽樣電晶體’使該第—抽樣信號之—第—觸發 L間（後在短於—讀出時間内接續-第二抽樣信號之〜 弟二觸發期間。 。申π專利範圍第9項〈系統，其中該第一觸發期問短於 琢第二觸發期間。 丨3,如中料·圍第1丨项之系統，其中該讀出電路於該第 二觸發期間中讀出該第一儲存元件。 、 14·—種方法’包含下列步驟： 使—感光元件曝光： 觸發-第-抽樣信號，使一第—儲存元件保存—個對 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐 !111 I -------裝—I 訂_|-------線 f靖先閱讀背Φ之;i意事項异ί.寫本頁〕