TWI429282B - 影像感測器 - Google Patents

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Shu Sian Yang
Yu Hao Huang
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Description

影像感測器
本發明係關於一種影像感測器，特別係關於具光源變異補償功能之影像感測器。
影像感測器可將光轉換成電荷(electrical charges)，並將電荷經處理後，輸出構成影像的數位電訊號。數位電訊號可儲存在儲存媒體上，或輸出至影像顯示裝置，以在顯示幕上呈現由其所構成之影像，因此使用上甚為方便。由於其方便性，影像感測器業已運用在許多的電子裝置，例如：數位相機、數位攝影機、手機或滑鼠等等。
一般影像感測器包含一半導體裝置，其可為電荷耦合元件(charge-coupled device；CCD)或互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)。影像感測器通常為以矩陣排列之像素(pixel)所構成。受光照射時，像素產生代表影像資訊之電荷或電壓。儲存在像素中的電荷或電壓可藉由耦接該等像素之位移暫存器(shift register)依序地輸出處理。
影像感測器亦可被應用在觸控技術上。圖1顯示一光學觸控系統1。參照圖1所示，光學觸控系統1包含兩條狀導光件11、複數個發光二極體12，以及一影像感測器13。導光件11設置於感測區域14之相鄰兩側。複數個發光二極體12鄰置於導光件11之末端，透過導光件11將其向發光感測區域14投射。影像感測器13則相對導光件11設置。
圖2顯示影像感測器13所擷取之一背景光影像中，其亮度分佈圖。參照圖1與圖2所示，在光學觸控系統1中，投射在影像感測器13上之背景光，其亮度分佈不易均勻。不均勻的亮度分佈會造成以下的缺點：受光強的像素，其電荷累積較快，容易造成像素飽和，進而影響到物件的辨識；在亮度較弱的區域，由於信號雜訊比(signal-to-noise ratio；SNR)較低，因此容易產生大的物件影像重心計算誤差；以及若物件影像落在圖2曲線斜率較大之處，其重心計算不易準確。
以軟體計算的方式，將圖2之亮度曲線正規化，以獲得較均勻的亮度分佈，是現今常採用的方法。此種方法雖然可讓物件影像之重心計算，不再受不均勻的亮度分佈所影響，但是仍無法改善物件在亮度較弱的區域產生之影像，其重心計算誤差的問題。
針對上述問題，本發明之一目的係提供一種可提供背景光亮度分佈均勻之影像之影像感測器。
根據上述目的，本發明一實施例揭露一種影像感測器，其包含一感測矩陣和複數條快門控制線。感測矩陣具有複數個感測單元，各感測單元具有一個電子快門及一光偵測元件，其中該電子快門控制該光偵測元件之曝光時間。每一條快門控制線耦接該感測矩陣中同一欄或同一列之電子快門，藉此獨立地控制相異欄或相異列之光偵測元件的曝光時間，且使耦接同一條之該快門控制線之該等光偵測元件具有相同曝光時間。
本發明另一實施例揭露一種影像感測器，其包含至少一欄或列之複數個感測單元、複數個電子快門，以及一記憶裝置。每一個感測單元包含一光偵測元件。複數個電子快門分別耦接相對應之光偵測元件。記憶裝置具有與該等電子快門相對應之複數時序指令，其中該等時序指令對應產生快門控制信號，以個別用於控制該等電子快門。
本發明再一實施例揭露一種影像感測器，其包含至少一列或欄之複數個感測單元、複數個電子快門，以及一影像處理單元。每一個感測單元包含一光偵測元件。複數個電子快門分別耦接相對應之光偵測元件。影像處理單元電性連接該等感測單元並取得該等感測單元之輸出訊號，並產生對應之感測訊號，其中該等電子快門之快門開啟時間係根據所對應該等感測訊號而個別控制。
上文已經概略地敍述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，下文揭示之概念與特定實施例可作為基礎而相當輕易地予以修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。
圖3顯示本發明一實施例之影像感測器2之功能方塊示意圖。圖4顯示本發明一實施例之影像感測器2內之部分感測單元211及其控制電路之示意圖。參照圖3所示，影像感測器2包含一感測矩陣(sensor matrix)21、一時序產生器22、一記憶裝置23，以及一影像處理單元24。感測矩陣21包含複數個感測單元211，複數個感測單元211在水平與垂直方向上排列成一矩陣。如圖4所示，各感測單元211包含一電子快門212及一光偵測元件(photodetector)213，電子快門212耦接光偵測元件213，以調控光偵測元件213的曝光時間。如圖3所示，時序產生器22提供用於在感測單元211上擷取光影像所需之時序信號(clock signals)，其包含快門控制信號。記憶裝置23耦接時序產生器22，記憶裝置23可儲存時序指令，時序產生器22根據時序指令產生快門控制信號，其中時序指令可修改，使該快門控制信號可調整，藉此控制相應之電子快門212之開啟時間。影像處理單元24耦接感測矩陣21。影像處理單元24可電性連接該等感測單元211，藉此取得該等感測單元211之輸出訊號，以產生對應之感測訊號。影像感測器2可根據與該等感測單元211對應之該等感測訊號之強弱，控制電子快門212之開啟時間，以使該等感測單元211輸出背景亮度較為一致之輸出訊號。
在另一實施例中，記憶裝置23可設置在時序產生器22內。
參照圖4所示，影像感測器2內之感測單元211可排列成矩陣。在各感測單元211中，光偵測元件213根據接收之亮度，相應地產生電荷。電晶體214控制電荷自光偵測元件213轉移至浮動擴散輸出區(floating diffusion(FD) output node)。電晶體215與定電流216構成一源極隨耦器(source follower)，源極隨耦器可放大光偵測元件213產生之光電轉換電壓。電晶體217是用於輸出資料至位元線226上。當RST1或RST2和TG1或TG2在高位準時，可開啟電晶體218與電晶體214，如此供應電壓VDDAY可重置光偵測元件213至其光電轉換初始狀態(photo-electric conversion initiation state)。當開啟電晶體214時，可將電荷自光偵測元件213轉移至浮動擴散輸出區。當輸入高位準之RST1或RST2信號時，可利用供應電壓VDDAY將浮動擴散輸出區重置。
在另一實施例中，各感測單元211可包含多個光偵測元件213及多個對應之電子快門212。該等電子快門212個別控制每一個光偵測元件213之曝光時間。
在另一實施例中，電子快門212為一電晶體。電子快門212串聯於供應電壓VDDAY與光偵測元件213之間。當快門控制信號AB1或AB2在高位準時，供應電壓VDDAY重置光偵測元件213，使其維持在光電轉換初始狀態。當光偵測元件213開始進行曝光時，快門控制信號AB1或AB2降至低位準，讓光偵測元件213開始進行光電轉換。利用調整電子快門212開啟或關閉的時間，即可調控光偵測元件213之曝光時間之長短。
列解碼器219提供重置信號(RST1~RST2)、信號TG1~TG2、信號AB1~AB2及字元線讀取控制信號(word-line readout control signals)WL1~WL2。讀取電路220從各感測單元211讀取影像資料。讀取電路220可耦接一解碼器(未繪示)，以接收欄選取信號。時序產生器22提供列解碼器219與讀取電路220所需之時序信號。
特別地，影像感測器2包含複數條快門控制線221和222。如圖4所示，各快門控制線221或222耦接感測矩陣21中，位在同一橫向(列方向)上排列之感測單元211之電子快門212，如此位在同一橫向上排列之光偵測元件213可以相同的曝光時間進行曝光。再者，複數條快門控制線221和222可彼此獨立，因此可在複數條快門控制線221和222上，個別提供不同的快門控制信號，而使連接不同控制線221和222之光偵測元件213可以不同的曝光時間進行曝光。
圖5顯示操作圖4之影像感測器2之時序圖(timing chart)，其顯示同步信號Vsync、字元線讀取控制信號WL~WLn，以及快門控制信號AB1~AB2。參照圖1、圖4與圖5所示，記憶裝置23可儲存與快門控制線221和222對應之時序指令，以在不同快門控制線221或222上，產生具不同脈波寬度(pulse width)之快門控制信號AB1或AB2，如圖所示。在本實施例中，所有光偵測元件213的曝光同時開始，並終止在一同步信號Vsync的下降邊緣。因此，調整快門控制信號AB1或AB2之脈波寬度，可讓排列在不同橫向上之光偵測元件213以不同的曝光時間進行曝光。在圖5的實施例中，由於快門控制信號AB1的脈波寬度較快門控制信號AB2的脈波寬度為小，因此連接在快門控制線221上的光偵測元件213所歷經的曝光時間T1 較連接在快門控制線222的光偵測元件213所歷經的曝光時間T2 為長。
圖6顯示本發明一實施例之光偵測元件213曝光時間調整前、後之亮度分佈示意圖。利用圖4揭露之電路架構，可將影像感測器2所擷取之影像中，其背景光的亮度分佈之變異加以補償。參照圖4與圖6所示，在一系統中，在影像感測器2原依一預定曝光時間所擷取之影像中，其背景光之亮度分佈為曲線5。亮度分佈曲線5表示沿橫向(或垂直)於控制線221和222之方向上之平均亮度分佈，在本實施例中為欄方向上。縮短受較強背景光照射之光偵測元件213之曝光時間，即將脈波寬度較寬的快門控制信號施加在連接受較強背景光照射之光偵測元件213之控制線221或222；而增加受較弱背景光照射之光偵測元件213之曝光時間，即將脈波寬度較小的快門控制信號施加在連接受較弱背景光照射之光偵測元件213之控制線221或222上。透過前述曝光時間的改變，可得到背景亮度分佈(如曲線6所示)較均勻的影像，而達到補償光源變異的效果。
在另一實施例中，連接各控制線221或222之光偵測元件213之曝光時間可以根據一預定亮度區間7所決定。如圖6所示，根據構成亮度分佈曲線5之原亮度值和預定亮度區間7，影像感測器2可計算出每一控制線221或222上連接之光偵測元件213的曝光時間。以例言，曝光時間可利用依原曝光時間所獲得之原亮度值與預定亮度區間7內之一數值(例如中間值)，依比例計算而得。利用計算之曝光時間曝光，即可使影像感測器2可獲得亮度值分佈在預定亮度區間內之背景影像。
在一實施例中，如圖3所示，影像處理單元24電性連接感測單元211，故可取得感測單元211之輸出訊號。影像處理單元24並可處理該些輸出訊號，以產生對應之感測訊號。該感測訊號即代表相應之感測單元211所感測之亮度值。
圖7顯示本發明另一實施例之影像感測器3之部分電路示意圖。參照圖7所示，影像感測器3類似圖4揭示之影像感測器2，惟在影像感測器3中，其在欄方向上排列之感測單元211之電子快門212，以相應之快門控制線223和224連接。如此，同一欄之感測單元211之電子快門212可以同樣的曝光時間曝光，而相異欄之感測單元211之電子快門212可以不同曝光時間曝光。影像感測器3之電路設計可對感測矩陣21列方向上的光源變異進行補償，使擷取的影像之亮度分佈值均勻或在一預定亮度區間內。快門控制線223和224可耦接一時序控制電路225，藉由時序控制電路225，時序產生器22可提供各快門控制線223或224對應之快門控制信號。
將影像感測器內同一列或欄的電子快門以快門控制線連接，再根據影像感測器擷取影像中之背景光亮度分佈，對不同快門控制線施以不同的快門控制信號，使得受較強光照的光偵測元件，以較短的時間曝光；而受較弱光照的光偵測元件，以較長的時間曝光，如此便可解決受光強的光偵測元件，其電荷累積較快，容易造成飽和，以及在亮度較弱的區域，容易產生大的物件影像重心計算誤差等問題，以及避免亮度分佈曲線上出現斜率較大的部分，造成重心計算不易準確之問題。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
1．．．光學觸控系統
2．．．影像感測器
3．．．影像感測器
5．．．曲線
6．．．曲線
7．．．預定亮度區間
11．．．導光件
12．．．發光二極體
13．．．影像感測器
14．．．感測區域
21．．．感測矩陣
22．．．時序產生器
23．．．記憶裝置
24．．．影像處理單元
211．．．感測單元
212．．．電子快門
213．．．光偵測元件
214．．．電晶體
215．．．電晶體
216．．．定電流
217．．．電晶體
218．．．電晶體
219．．．列解碼器
220．．．讀取電路
221．．．快門控制線
222．．．快門控制線
223．．．快門控制線
224．．．快門控制線
225．．．時序控制電路
226．．．位元線
T1 ．．．曝光時間
T2 ．．．曝光時間
圖1顯示一光學觸控系統；
圖2顯示影像感測器上之亮度分佈圖；
圖3顯示本發明一實施例之影像感測器之功能方塊示意圖；
圖4顯示本發明一實施例之影像感測器內之部分感測單元及其控制電路之示意圖；
圖5顯示操作圖4之影像感測器之時序圖；
圖6顯示影像感測器上之補償前與補償後之亮度分佈圖；以及
圖7顯示本發明另一實施例之影像感測器之部分電路示意圖。
21．．．感測矩陣
22．．．時序產生器
211．．．感測單元
212．．．電子快門
213．．．光偵測元件
214．．．電晶體
215．．．電晶體
216．．．定電流
217．．．電晶體
218．．．電晶體
219．．．列解碼器
220．．．讀取電路
221．．．快門控制線
222．．．快門控制線
226．．．位元線

Claims (16)

  1. 一種影像感測器，包含：一感測矩陣，具有複數個感測單元，每一感測單元具有一個電子快門及一光偵測元件，其中該電子快門控制該光偵測元件之曝光時間；複數條快門控制線，每一條快門控制線耦接該感測矩陣中同一欄或同一列之該等電子快門，藉此獨立地控制相異欄或相異列之該等光偵測元件的曝光時間，且使耦接同一條之該快門控制線之該等光偵測元件具有相同曝光時間；以及一時序產生器，與該等快門控制線耦接，其中該時序產生器透過該等快門控制線使相異欄或相異列之電子快門開啟時間不同。
  2. 根據請求項1所述之影像感測器，其中該電子快門係一電晶體，設置於相應之該光偵測元件與一供應電壓之間。
  3. 根據請求項1所述之影像感測器，其中該時序產生器產生與該等快門控制線對應之複數快門控制信號。
  4. 根據請求項3所述之影像感測器，其更包含一記憶裝置，該記憶體裝置儲存複數時序指令，其中該等快門控制信號係依該等時序指令產生。
  5. 根據請求項3所述之影像感測器，其中該影像感測器接受一背景光，其中每一欄或列之該等光偵測元件之該曝光時間增加時，每一欄或列之該等光偵測元件所接受之該背景光之亮度亦會增加。
  6. 一種影像感測器，包含： 至少一欄或列之複數個感測單元，其中每一個感測單元包含一光偵測元件；複數個電子快門，分別耦接相對應之該等光偵測元件；以及一記憶裝置，具有與該等電子快門相對應之複數時序指令，其中該等時序指令對應產生快門控制信號，以個別用於控制該等電子快門。
  7. 根據請求項6所述之影像感測器，其中該電子快門係一電晶體，設置於相應之該光偵測元件與一供應電壓之間。
  8. 根據請求項6所述之影像感測器，其更包含一時序產生器，用於促使產生該等快門開啟時序信號。
  9. 根據請求項8所述之影像感測器，其中該記憶裝置設置於該時序產生器內。
  10. 一種影像感測器，依一預定曝光時間擷取一影像，該影像感測器包含：至少一列或欄之複數個感測單元，其中每一個感測單元包含一光偵測元件；複數個電子快門，分別耦接相對應之該等光偵測元件；以及一影像處理單元，電性連接該等感測單元並取得該等感測單元之輸出訊號，並產生對應之感測訊號；其中，該等電子快門之快門開啟時間係根據所對應該等感測訊號而個別控制；其中，該影像感測器擷取一影像，該等電子快門係根 據該影像中之背景光亮度分佈以不同的快門控制信號控制。
  11. 根據請求項10所述之影像感測器，其中該電子快門係一電晶體，設置於相應之該光偵測元件與一供應電壓之間。
  12. 根據請求項10所述之影像感測器，其更包含一時序產生器，用於促使產生控制該等電子快門之開啟之快門開啟時序信號。
  13. 根據請求項10所述之影像感測器，其中該等感測訊號係包含該等感測單元所感測之亮度值。
  14. 一種影像感測器，依一預定曝光時間擷取一影像，該影像感測器包含：至少一列之複數個感測單元，其中每一個感測單元包含一光偵測元件；複數個電子快門，分別耦接相對應之該等光偵測元件；以及一影像處理單元，電性連接該等感測單元並取得該等感測單元之輸出訊號，並產生對應之感測訊號，而該等感測訊號包含代表該等感測單元所感測之亮度值；其中，該等電子快門之快門開啟時間係根據所對應該等光偵測元件所感測之亮度而個別控制，致使該影像感測器所擷取之背景影像之亮度值分佈達到一預定亮度區間；其中，該影像感測器擷取一影像，該等電子快門係根據該影像中之背景光亮度分佈以不同的快門控制信號控制。
  15. 根據請求項14所述之影像感測器，其中該電子快門係一電晶體，設置於相應之該光偵測元件與一供應電壓之間。
  16. 根據請求項14所述之影像感測器，其更包含一時序產生器，與該等電子快門耦接，以控制該等電子快門之開啟。
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