TWI528810B

TWI528810B - 影像感測器以及影像感測方法

Info

Publication number: TWI528810B
Application number: TW102136247A
Authority: TW
Inventors: 林東龍; 李仲仁; 張中瑋
Original assignee: 恆景科技股份有限公司
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2016-04-01
Also published as: TW201515417A

Description

影像感測器以及影像感測方法

本發明所揭露之實施例係相關於影像感測，尤指一種應用於影像感測器的設計以及相關影像感測方法。

請參考第1圖，其為習知的4-T(4個電晶體)架構的感光像素及控制電路的架構圖，也就是一個感光像素需包括四個電晶體，其中一光電二極體102所感應產生的電子會經由一開關104(由電晶體所實現)進入一隨耦器108(由電晶體所實現)，進而將光電二極體102所感應產生的電子轉換為電壓，再經由一開關110輸出至後續的讀取電路，並藉由一電晶體106以及開關104來重置光電二極體102以進行下一次的感光程序。然而，當像素的尺寸隨著製程的發展而越縮越小時，對於前感光式的影像感測器來說，由於控制電路中的電晶體以及繞線可能造成光線的阻擋，因此單位像素面積的實際感光面積也會越來越小，造成感光能力的下降。

因此，如何提高影像感測器的填充因子(fill factor)，即提高實際感光面積/單位像素面積，已成為此領域中亟需解決的問題。

本發明之目的之一在於提供一種應用於前照度的影像感測器以及相關影像感測方法。

依據本發明之一第一實施例，揭露一種影像感測器。該影像感測器包含有一像素陣列、一儲存陣列以及一控制電路。該像素陣列具有複數個像素單元，其中每一像素單元分別進行一感光程序以及產生以電荷為單位的一感光值；該儲存陣列具有複數個儲存單元，分別耦接至該複數個像素單元，其中每一儲存單元用以儲存一相對應像素單元之該感光值，並將該感光值轉換為以電壓為單位的一感光電壓；該控制電路分別耦接至該像素陣列以及該儲存陣列，用來控制該像素陣列中每一像素單元產生該感光值並將其輸出，以及控制該儲存陣列中每一儲存單元接收該感光值並輸出該感光電壓。

依據本發明之一第二實施例，揭露一種應用於上述影像感測器的影像感測方法，包含有：於一重置程序中利用該控制電路將該像素陣列中的一像素單元，以及該儲存陣列中相對應於該像素單元的一儲存單元重置為一初始值；於一感光程序中使該像素單元進行感光；於一轉移程序中利用該控制電路來控制該像素單元所產生的一感光值進入該儲存單元；以及於一讀出程序中利用該控制電路來控制該儲存單元中之該感光值被讀取。

本發明所提出之影像感測器可以提高前感光式影像感測器的填充因子，特別是針對隨著製程而日益縮小的光學裝置以及像素陣列，可以使光學裝置不需為了維持填充因子而改採製作較複雜的後感光式影像感測器，因而達到簡化設計的功效。

102‧‧‧光電二極體

104、110、308、3024、3042、3048、306、508、5086‧‧‧開關

106‧‧‧電晶體

108、3046‧‧‧隨耦器

200、300、500‧‧‧影像感測器

202‧‧‧像素陣列

204‧‧‧儲存陣列

206‧‧‧控制電路

208‧‧‧電荷轉移控制電路

210‧‧‧讀取電路

302‧‧‧像素單元

3022‧‧‧光電二極體

304、504‧‧‧儲存單元

3044、310、5082‧‧‧電容

312‧‧‧行像素共用線路

5084‧‧‧放大器

PS‧‧‧感光值

V_PS‧‧‧感光電壓

第1圖為習知的4-T架構的影像感測器的架構圖。

第2圖為本發明影像感測器的一示範性實施例的示意圖。

第3圖為本發明影像感測器的一示範性實施例的電路架構圖。

第4圖為本發明影像感測器的一示範性實施例的操作時序圖。

第5圖為本發明影像感測器的另一示範性實施例的電路架構圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含有」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含有但不限定於」。

請參考第2圖，其為本發明影像感測器的一示範性實施例的示意圖。影像感測器200包含有一像素陣列202、一儲存陣列204、一控制電路206、一電荷轉移控制電路208以及一讀取電路210。像素陣列202設置於一像素區域，儲存陣列204設置於一儲存區域，儲存區域在像素區域的旁邊。像素陣列202係主要用來感光，包含有複數個像素單元，例如X(列)*Y(行)個像素單元，其中每一像素單元會各自進行一感光程序以及產生以電荷(charge)為單位的一感光值；然而，相較於傳統的前感光式影像感測器的4T架構，大部分的電晶體(例如隨耦器以及開關等)都被設置在感光區域(即像素陣列202)之外的儲存陣列204以及控制電路206，此一設計即為本發明的精神所在，其優點係可增加像素陣列202的感光面積，即提高像素陣列202的填充因子(fill factor)。另一方面，儲存陣列204具有相對應於像素陣列202之個數的複數個儲存單元，例如X(列)*Y(行)個儲存單元，分別對應至該複數個像素單元，其中每一儲存單元用以儲存一相對應像素單元之該感光值，並將該感光值轉換為以電壓(volt)為單位的一感光電壓；而控制電路206分別耦接至像素陣列202以及儲存陣列204，用來控制像素陣列202中每一像素單元產生該感光值並將其輸出，以及控制儲存陣列204中每一儲存單元接收該感光值並輸出該感光電壓至讀取電路210。在實際操作的時候，像素陣列202中的每一列(row)中的複數個像素單元可以同時分別進行該感光操作，例如從像素陣列202中的第一列像素單元開始，並待第一列像素單元之感光操作結束，且將將感光值傳送到儲存單元之後，再進行第二列像素單元之感光操作，依序進行到第X列。儲存陣列內的感光電壓可以逐列讀出或是逐幀讀出。

進一步來看，請參考第3圖，其為本發明感光像素及控制電路的一示範性實施例的電路架構圖。其中包含有複數個像素單元，應注意的是，影像感測器300中僅僅繪示出像素陣列202的其中一行(column)上的某一個像素單元(例如第3圖中的像素單元302)。如圖所示，像素單元302包含有一光電二極體3022，用來進行一感光程序以產生一感光值PS，以及另包含一第一開關3024(由電晶體所實現)，用來依據控制電路206以決定是否導通。同樣地，影像感測器300中僅僅繪示出儲存陣列204的其中一行上的某一個儲存單元(例如第3圖中的儲存單元304)，如圖所示，儲存單元304包含有一電容3044，用來儲存像素單元302所傳送來之感光值PS；一隨耦器3046(由電晶體所實現)，用來將感光值PS轉換為一感光電壓V_PS；一第二開關3042(由電晶體所實現)，用來依據控制電路206以決定是否導通；以及一第三開關3048(由電晶體所實現)，用來依據控制電路206以決定是否導通以輸出感光電壓V_PS至讀取電路210。應注意的是，第三開關3048亦可省略而以較複雜的控制方式來替代，此亦屬於本發明的範疇，其細節可參考習知的3-T架構，故在此便不多作贅述。最後，電荷轉移控制電路208包含有一電容310以及一開關元件308(由電晶體所實現)，其中開關元件308依據控制電路206以決定是否導通。

請同時參考第3圖與第4圖，第4圖為本發明影像感測器的一示範性實施例的操作時序圖。一開始執行重置程序，控制電路206同時將一重置訊號RST、一第一開關訊號TX1、一第二開關訊號TX2、一電荷轉移控制開關訊號TC以及一第三開關訊號SEL設為1，以分別導通一重置開關306、第一開關3024、第二開關3042、開關元件308以及第三開關3048，使得光電二極體3022、電容3044、電容310以及讀取電路210被重置至一初始值。接下來執行感光程序，讓光電二極體3022接收光源而曝光。接著執行轉移程序，控制電路206會分別將第一開關訊號TX1以及第二開關訊號TX2設為1以讓感光值PS得以經過一行(column)像素共用線路312傳送到儲存單元304中，然而，由於該行像素共用線路312連接了整行的像素單元以及儲存單元，因此可能具有較大的電容效應，導致感光值PS無法有效率的轉移至儲存單元304中，因此會利用電荷轉移控制電路208來加強感光值PS轉移至儲存單元304的轉換率，具體來說，電荷轉移控制電路208中的開關元件308係用來啟動或是停止電荷轉移控制電路208以幫助強感光值PS轉移至儲存單元30，另外，電容310在此則可提供電荷至儲存單元以將轉移率儘量的提高。而當感光值PS已經轉移至儲存單元304後，接著執行讀出程序，控制電路206便會將第三開關訊號SEL設為1以導通第三開關3048，使得隨耦器3046所輸出之感光電壓V_PS得以進入讀取電路210。此一完整的感光及讀取流程會在下一列像素重複被執行。

應注意的是，電荷轉移控制電路208的實際設計方式並不一定侷限於第3圖所示的電路架構，任何能夠達到提高感光值從像素單元轉移到儲存單元的轉換率的做法，都屬於本發明的範疇。舉例來說，請參考第5圖，其為本發明影像感測器的另一示範性實施例的電路架構圖。影像感測器500中的電荷轉移控制電路508包含有一電容508、一放大器5084以及一開關5086(由電晶體所實現)。電容508的一端會耦接至像素單元302以及儲存陣列504；放大器5084具有一第一輸入端以及一第二輸入端，分別耦接至電容5082的另一端以及一參考電壓(例如接地電壓)；以及開關5086耦接於放大器5084之一輸出端以及儲存單元504的電容3044之間，用來依據控制電路206以決定是否導通。電荷轉移控制電路508亦可達到加強感光值PS轉移至儲存單元304的轉換率的功效。

本發明所提出之影像感測器可以提高前感光式影像感測器的填充因子，特別是針對隨著製程而日益縮小的光學裝置以及像素陣列，可以使光學裝置不需為了維持填充因子而改採製作較複雜的後感光式影像感測器，進而達到簡化設計的功效。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

200‧‧‧影像感測器

202‧‧‧像素陣列

204‧‧‧儲存陣列

206‧‧‧控制電路

208‧‧‧電荷轉移控制電路

210‧‧‧讀取電路

Claims

一種影像感測器，包含有：一像素陣列，設置於一像素區域，該像素陣列具有複數個像素單元，其中每一像素單元分別進行一感光程序以及產生以電荷為單位的一感光值；一儲存陣列，設置於一儲存區域，該儲存區域位於該像素區域旁，該儲存陣列具有複數個儲存單元，分別耦接至該複數個像素單元，其中每一儲存單元用以儲存一相對應像素單元之該感光值，並將該感光值轉換為以電壓為單位的一感光電壓；一控制電路，分別耦接至該像素陣列以及該儲存陣列，用來控制該像素陣列中每一像素單元產生該感光值並將其輸出，以及控制該儲存陣列中每一儲存單元接收該感光值並輸出該感光電壓；以及一電荷轉移控制電路，耦接至該像素陣列以及該儲存陣列，用來提高該感光值從該像素陣列傳送到該儲存陣列時的效率。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該電荷轉移控制電路包含有：一電容，分別耦接至該像素陣列以及該儲存陣列；以及一開關元件，耦接於該電容以及一參考電壓之間，用來依據該控制電路以決定是否導通。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該電荷轉移控制電路另包含有：一電容，分別耦接至該像素陣列以及該儲存陣列；一放大器，具有一第一輸入端以及一第二輸入端，分別耦接至該電容以及一參考電壓；以及一開關，耦接於該放大器之一輸出端以及該儲存陣列之間，用來依據該控制電路以決定是否導通。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其係為一前感光式影像感測器。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中每一像素單元包含有：一光電二極體，用來進行該感光程序；以及一第一開關，分別耦接於該光電二極體、該儲存陣列以及該控制電路之間，用來依據該控制電路以決定是否導通。
如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中每一儲存單元包含有：一電容，用來儲存該感光值；一隨耦器，用來將該感光值轉換為該感光電壓；以及一第二開關，分別耦接於該像素陣列、該電容以及該隨耦器之間，用來依據該控制電路以決定是否導通。
如申請專利範圍第6項所述的影像感測器，其中每一儲存單元另包含有：一第三開關，耦接於該隨耦器以及該控制電路之間，用來依據該控制電路以決定是否導通以輸出該感光電壓。
如申請專利範圍第6項所述的影像感測器，其中該控制電路控制該像素陣列中位於同一行(column)之複數個特定像素單元經由一導線來輸出個別的感光值，以及控制該儲存陣列中位於同一行之複數個特定儲存單元經由該導線來分別接收相對應之該複數個特定像素單元所輸出之個別的感光值。
一種應用於申請專利範圍第1項所述的影像感測器的影像感測方法，包含有：於一重置程序中利用該控制電路將該像素陣列中的一像素單元，以及該儲存陣列中相對應於該像素單元的一儲存單元重置為一初始值；於一感光程序中使該像素單元進行感光；於一轉移程序中利用該控制電路來控制該像素單元所產生的一感光值進入該儲存單元；以及於一讀出程序中利用該控制電路來控制該儲存單元中之該感光值被讀取。