TWI254570B - Image sensor having pixel array and method for automatically compensating black level of the same - Google Patents

Description

1254570 玫、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、內容、實施方式及圖式簡單說明） (一）、發明所屬之技術領域 本發明係關於影像感測器，尤其是具有像素陣列之影像 感測器，及用以自動補償該影像感測器之黑色位準的方法， 不論在任何應用條件下，以防止影像感測器特性退化。 (一）、先前技術 影像感測器係一藉半導體反應光線特性產生影像之裝 置。意即，讀取可偵測由不同物體所射出光線之各種強度 等級和波長的影像感測器中包括之像素所攝得之偵測結 果，作爲電氣數値。更特別地，影像感測器之功能係將電 氣數値轉換爲由信號處理所致能之準位。 換言之，影像感測器係轉換光學影像至電氣信號之半導 體裝置。電荷耦合元件（C CD)係爲各金屬氧化矽（下文中稱 爲Μ Ο S )電容彼此緊密的靠在一起，且電荷載子儲存及轉換 至MOS電容器。互補式金屬氧化半導體（下文中稱爲CMOS) 影像感測器，係藉使用控制電路和信號處理電路當作週邊 電路且接著採用切換模式偵測輸出之C Μ Ο S技術，與既有 像素具有相同數量之電晶體。 CMOS影像感測器可有效地應用在個人可攜式系統，例 如行動電話，因其具有低功率消耗之優點。 再者，影像感測器更具有應用在P C照相機、玩具和醫 學用途等各種應用。 第1圖係顯示依照習之技術之影像感測器的方塊圖。 1254570 參照第1圖，傳統影像感測器包括一控制和外部系統介 面單元1 〇，一像素陣列單元i i，一類比線路緩衝單元1 2， 一行解碼器1 3 A，一列解碼器丨3 b，一可程式增益放大器 14(後文中稱爲PGA)。 接著’影像感測器組成元件之動作將詳細敘述。 像素陣列單元1 1爲具有水平像素爲N個，垂直像素爲 Μ個之陣列’其中N和Μ爲整數，以使對光線之反應性最 大化。像素陣列單元1 1同時係影像感測器之必要元件，因 係其偵測關於外界環境輸入之影像資訊。控制和外部系統 界面單元1 0係藉使用擔任與外部系統界面的有限狀態機器 (F SM)，而控制影像感測器之整體操作。因此，控制和外 部系統界面單元1 0係因批次暫存器（未顯示），可程式化關 於不同內部動作之資訊，同時依照已程式化之資訊控制整 個晶片之動作。 類比線路緩衝單元1 2係偵測及儲存已選定列中之像素 電壓。在類比資料中，一選定資料値將儲存至類比線路緩 衝單元1 2，其係藉控制行解碼器丨3 a和列解碼器1 3 Β且經 由類比匯流排傳送至PGA14。 當像素電壓儲存在類比線路緩衝單元1 2中爲低（Low)， PGA14放大該電壓。流經PGA14之選定資料，係由色彩內 插和色彩校正程序處理，接著經由A D C 1 5轉換成數位値。 基於影像感測器製程上微小差異所導致的偏移電壓，會 在影像感測器上產生固定模式之雜訊。爲補償該固定模式 之雜訊，影像感測器採用關聯雙倍取樣（CDS)技術，其在像 1254570 素陣列單元1 1的各像素中讀取重置電壓信號，且資料電壓 信號接著輸出兩信號之間的差異° 此時，雖然影像感測器之動態（k i n e t1 c )溫度典型之範圍 係由約〇°C至約40°C，該影像感測器 甚至在約6 (TC以上時，可動作而不會產生特性退化。然而， 該影像感測器係同時由半導體裝置建構而成，由於高溫之 熱效應會產生電流。因此，當這些電流（亦即暗電流）產生 時，除了光學元件，一信號元件亦同時包括在影像感測器 中。由於該信號元件，在極黑暗環境中，甚至沒有光線照 射時，可檢測到一對應程度之信號準位。該檢測到之信號 準位稱爲黑色位準，其係用於導入熱雜訊和系統雜訊之關 鍵因素。 因此，因黑色位準在傳統影像感測器中一直存在，該影 像感測器在應用條件上有所侷限且有影像感測器特性退化 之問題。 (三）、發明內容 因此，本發明之目的在提供影像感測器之像素陣列’不 論在任何應用條件下均可防止影像感測器特性退化，和具 有相同特性之影像感測器。 同時，本發明之另一目的係提供自動補償影像感測器之 黑色位準的方法。 依照本發明之一項觀點，係在提供具有像素陣列之影像 感測器，包括：第一像素群，其係包括像素單元數目爲N 和Μ單元像素，其中N和Μ爲整數；和第二像素群，其 1254570 係以行方向排列在第一像素群的一端和另一端’以評估關 於單元像素之黑色位準偏移値（offset value)。 依照本發明之另一項觀點’亦在提供影像感測器’包括 第一像素群’其係包括像素單元數目爲N和M單元像素， 和第二像素群，其係以行方向排列在第一像素群的一端和 另一端，以評估關於單元像素之黑色位準偏移値；偏移調 整單元，其係藉依照黑色位準之偏移値改變第一像素群之 一偏移値，而消除由於黑色位準所引起的偏移改變。 依照本發明之又另一項觀點，係同時提供自動補償影像 感測器黑色位準之方法，包括一影像陣列單元，其係具 有一感測影像之第一影像感測器群，和一用於補償黑色 位準之第二像素群，包括之步驟：針對第二像素群組， 評估一黑色位準之偏移値；藉黑色位準偏移値和初始偏 移値決定一更新偏移値；及補償黑色位準，其係藉增加 更新偏移値和針對第一像素群之影像資料。 在現今的使用的技術，幾乎不可能發展出不會產生黑色 位準的像素陣列。然而，黑色位準具有依照溫度漂移整體 信號元件之特性，例如，當溫度上升時，整體信號元件向 上漂移。基於此特性，黑色位準係藉使用類比數位轉換器 偏移功能，在實際像素信號中先評估再以和黑色位準相同 大小作補償。因此，藉改變應用條件以減少影像感測器因 黑色位準增加所導致的特性退化係爲可能。 (四）、實A方式 第2圖係顯示依照本發明較佳實施例之影像感測器像素 1254570 陣列單元的平面圖。第3圖係顯不依照本發明之包括像素 陣列單元之影像感測器的方塊圖。同時，第4圖和第5圖 係依照本發明之敘述用於自動補償黑色位準的方法之不蒽 方塊圖。 參照第2圖，像素陣列單元包括第一像素群20，例如核 心像素陣列，和 第二像素群2 1，係以行方向排列在該第一像素群2 0的 一端和另一端，沿A-A’方向，以評估關於第二像素群21 所包括像素之黑色位準偏移値（offset value)。 上述偏移値係爲第二像素群2 1所包括所有像素之平均 値。同時，像素陣列單元包括第三像素群22,例如虛（dummy) 像素陣列，其係被排列在該第一像素群2〇和該第二像素群 2 1之間，該第二像素群之外部側，以遮蔽入射光線進入該 第二像素群2 1。該第三像素群不具有位址。此時，需遮蔽 像素通常用作遮蔽入射光線進入區域中，除了因像素陣列 單兀中之盛開效應（blooming effect)的像素陣列。然而，在 本發明中之虛遮蔽像素係具有和第三像素群22不同之功 肯b 。 爲了更詳細敘述像素陣列單元，已遮蔽之第二像素群 2 1 ’即遮蔽像素陣列線，係被排列在第一像素群2 〇之頂部 和底部’且第三像素群22係包圍第二像素群2 1，以完全 遮蔽光線。雖然第三像素群2 2具有和第一像素群2 〇之單 位像素相同的結構，該第三像素群22不具有特別指定之位 址’因此，具有和第一像素群2 0無關的動作方案。 -9- 1254570 同時，即使用於檢測黑色位準之第二像素群2 ]，係被排 列在第一像素群2 0之頂部和底部，該第二像素群2 1首先 施行定址功能。例如，因第二像素群2 1之位址以〇至! 次序排列，由〇到3之位址接近第二像素群2 1。 在此，用於第二像素群2 1和第三像素群2 2之像素列， 係分別設定爲4到1 0。然而，更多的像素列係被排列以精 確地評估黑色位準。第3圖係爲顯示用於補償黑色位準之 影像感測器中包括之像素陣列單元的平面圖。 參照第3圖，依照本發明之影像感測器包括含有第一像 素群20(即核心像素陣列）之像素陣列單元30，其係排列爲 個N水平像素和Μ個垂直像素，其中N和Μ爲整數，以 檢測由外部環境輸入影像之資訊，第二像素群2 1係排列在 該第一像素群20的一端和另一端，以評估黑色位準偏移 値，其係依照第二像素群21之像素和用於遮蔽光線的第三 像素群2 2和一偏移調整單元3 1，其藉依照黑色位準之偏 移値改變第二像素群2 1之偏移値，而消除由於黑色位準所 引起的偏移改變。 更詳細而言，影像感測器同時包括一類比線路緩衝單元 3 3，其緩衝來自像素陣列單元3 0之信號傳送，一可程式增 益放大器（後文中稱作PGA)34係用於放大類比線路緩衝單 元3 3之輸出，亦即像素資料，一類比至數位轉換器（後文 中稱作A D C )，一列解碼器3 2 A和行一解碼器3 2 B。特別是， 偏移調整裝置更包括：一時序控制單元3 1 A，依照黑色位 準評估偏移値和初始偏移値間之差異，以適當地施加偏移 -10- 1254570 値之時序而更新紅（R)、綠（G)、藍（B)各顏色；—相加單元 3 1 B，藉相加由時序控制單元3丨a提供之更新偏移値和由 第一像素群2 0所提供之類比像素資料，用於補償類比資 料。 類比線路緩衝單元3 3係檢測和儲存選定列中之像素電 壓。該PG A34，在儲存於類比線路緩衝單元33中的像素電 壓爲低時放大像素電壓。接著，經過PGA34之類比資料， 係經由A D C 3 5轉換且輸出數位値。其中，控制紅、綠、藍 之各增益’以補償色彩變異且校正色彩是可能的。 參照第4和5圖，影像感測器中用於自動補償黑色位準 的動作，將被詳細敘述。 首先，符合位址由0至3之各行，亦即針對第二像素群 2 1之黑色位準平均値係被評估。接下來，藉使用平均値和 亦當作平均値的ADC35初始偏移値，決定一更新偏移値。 然後，更新偏移値係加至針對第一像素群20之影像資料， 補償黑色位準。 實際上，依照第2圖之影像陣列單元，符合位址由〇至 3之各線係首先被讀取，接著，符合各紅、綠和藍且考慮 到初始偏移値之像素平均値，接下來調整之偏移値係被計 算。紅、綠和藍各像素在構造上並無差異，因其係完全由 色彩濾波器和光源所遮蔽。然而，因PGA34控制紅、藍和 綠各增益，這些像素之偏移値並不相同。 紅、綠和藍各顏色的每一個像素的平均値，表示整體像 素之黑色位準値。亦即，紅、綠和藍各像素之平均値，在 -11 - 1254570 正常狀態下必須接近〇。然而，當黑色位準效應產生時， 這些像素具有固定平均値，且該平均値係由讀取正常像素 時，用於補償黑色位準效應之値中扣除。 當讀取用於補償初始黑色位準之第二像素群2 1 ,該初始 偏移値係考慮用於評估紅、綠和藍各顏色的每一個像素的 平均値，接著，該偏移値係藉使用平均値而更新，以便在 讀取實際像素時補償黑色位準。 A D C 3 5之偏移値可控制在由約-3 1至3 1，以帶有正負符 號之6位元而表示。同時，最高位元（Μ 0 S )係一符號位元。 例如，數字0和1分別表示” + ”和符號。同時，[4:0]之 位元係信號之絕對値，表示信號之大小値。 在此，該ADC35係限制在8位元。假若ADC35爲10位 元’其仍以8位元表示，因此位元改變之幅度依照a D C 3 5。 因此，ADC3 5之更新偏移値係根據下列公式之各計算平 均値： 更新ADC偏移=-(平均値-初始ADC偏移 ） 其中，’更新A D C偏移，，，平均値，和‘初始A D C偏移，， 分別表示更新偏移値，黑色位準偏移値和偏移値初始設定。 如第5圖所示’當評估像素陣列單元中之4條線（即行位 址由0至3 )的黑素色準位偏移値，一黑色位準評估開關，S， 將打開，且紅、綠和藍各顏色的每一個像素的平均値將依 據被遮蔽之像素而評估。再者。紅、綠和藍各偏移値將同 時依據已評估之平均値和已儲存之初始偏移値而預估。各 偏移値係用作第二像素群之預估像素資料値。此時，時序 -12- 1254570 控制單元31A依照各紅、綠和藍像素之時序輸出偏移値， 以便獲得補償黑色位準之像素資料。 方塊31A中，表示第4圖中之黑色位準臨限値（thresh〇ld v a 1 U e )，將放在評估平均値之前，以不會包括用於評估平 均値之潛藏壞死（dead)像素。亦即，黑色位準臨限値係消 除臨限値以上之數値。 同時，在評估黑色位準時，初始偏移値不是必須的。然 而，假若初始偏移至値爲正値，不僅補償黑色位準更補償 如系統雜訊之其他形式誤差。 如本發明中較佳實施例所示，藉典型使用像素而操作簡 單的數位邏輯，以自動的預估和補償因溫度上升時之黑色 位準偏移的應用，影像感測器保持一致的穩定特性而和應 用條件無關成爲可能。 因影像感測器之保持特性，使影像感測器應用更寬廣變 爲可能，因此使該影像感測器較其他形式影像感測器更具 競爭性。 雖然本發明係依照特定之較佳實施例而敘述，唯熟習於 此項技術者可以在不偏離本發中下列申請專利範圍之範疇 內，作各種的變化和修正是極爲明顯的。 (五）、圖示簡單說明 本發明如上述和其他目的以及特點，將會由下列較佳實施 例之敘述連同相關圖示而趨於明顯，其中 第1圖係顯示依照習知技術之影像感測器的方塊圖； 第2圖係顯示依照本發明較佳實施例之影像感測器像素陣 -13- 1254570 列單元的平面圖； 第3圖係顯示依照本發明之包括像素陣列單元之影像感測 器的方塊圖；及 第4圖和第5圖係依照本發明之敘述用於自動補償黑色位 準的方法之示意方塊圖； 元件符號表 10 控 制 和 外 部 系 統 介面單元 11 像 素 陣 列 單 元 12 類 比 線 路 緩 衝 單 元 13a 行 解 碼 器 13b 列 解 碼 器 14 可 程 式 增 益 放 大 m (PGA) 15 類 比 數 位 轉 換 器 (ADC) 20 核 心 像 素 陣 列 2 1 黑 色 位 準 補 償 遮 蔽像素 22 虛 遮 蔽 像 素 30 像 素 陣 列 單 元 3 1 A 時 序 控 制 單 元 3 1 B 相 加 單 元 32 A 列 解 碼 器 32B 行 解 碼 器 33 類 比 線 路 緩 衝 單 元 34 可 程 式 增 益 放 大 器（PGA) 3 5 類 比 數 位 轉 換 器 (ADC)

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Claims (1)

1254570 年f 正替換頁 \ |ι r — 、-公，·-—··^ ----------πν nrir--------I「尽 拾、申請專利範圍 第9 1 1 3 8 007「具有像素陣列之影像感測器及用以自動補償 該影像感測器之黑色位準的方法」專利案 (2006年1月修正） 1 · 一種具有像素陣列之影像感測器，包括： 一第一像素群，其係包括像素單元數目爲N和Μ單元像 素，其中Ν和Μ爲整數；和 一第二像素群，其係以行方向排列在該第一像素群的一 端和另一端，以評估關於單元像素之一黑色位準値之一 偏移値（offset value)。 2.如申請專利範圍第1項之影像感測器，其中偏移値係爲 關於該第二像素群中所有像素之偏移値的平均値。 3 .如申請專利範圍第1項之影像感測器，其中更包括：一 第三像素群，其係被排列在該第一像素群和該第二像素 群之間和該第二像素群之外部側，以遮蔽入射光線進入 該第二像素群。 4.如申請專利範圍第3項之影像感測器，其中該第三像 素群不具有位址。 5 . —種影像感測器，包括 一第一像素群，其係包括像素單元數目爲N和Μ單元像 素，和一第二像素群，其係以行方向排列在第一像素群 的一端和另一端，以評估關於單元像素之一黑色位準之 一偏移値（offset value);和 1254570 一偏移調整單元，其係依照該黑色位準之偏移値改變第 一像素群之一偏移値，而消除由於黑色位準所引起的偏 移改變。 6 .如申請專利範圍第5項之影像感測器，其中該黑色位準 偏移値係爲關於該第二像素群中所有該黑色位準像素之 偏移値的平均値。 7 ·如申請專利範圍第5項之影像感測器，其中更包括：一 第三像素群，其係被排列在該第一像素群和該第二像素 群之間和該第二像素群之外部側，以遮蔽入射光線進入 φ 該第二像素群。 8 .如申請專利範圍第7項之影像感測器，其中該第三像素 群不具有位址。 9 ·如申請專利範圍第5項之影像感測器，其中偏移調整單 元包括： 一時序控制單元，施加偏移値之時序至紅（R)、綠（G)、 藍（B)各顏色，依照黑色位準評估偏移値和初始偏移値 間之差異作更新（update)。 鲁 10· —種自動補償影像感測器的黑色位準之方法，包括一 影像陣列單元，其係具有一用於感測影像之第一像素 群，和一用於補償黑色位準之第二像素群，包括之步驟： 針對第二像素群組，評估一黑色位準之偏移値； 藉黑色位準偏移値和初始偏移値決定一更新偏移値；及 補償黑色位準，其係藉增加更新偏移値和針對第一像素 群之影像資料。 -2 - 9& 1.. 1254570 11. 如申請專利範圍第1 ο項之方法，其中該黑色位準之 該偏移値，係一針對第二像素群中所有像素之黑色位準 偏移値的平均値。 12. 如申請專利範圍第1 0項之方法，其中該初始偏移値係 可被外部控制。