TWI556647B - 影像感測器的可調適降低功率消耗的方法 - Google Patents

Description

影像感測器的可調適降低功率消耗的方法

本發明係有關一種影像感測器，特別是關於一種影像感測器的可調適降低功率消耗的方法。

影像感測器，例如互補式金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器，可用以將光學影像轉換為電子信號。影像感測器普遍使用於各種的應用，例如行動電話或相機。

配備有電子式滾動快門（olling shutter）像感測器係一列一列地進行重置，接著一列一列地讀取積分（integrated）電荷。二圖框讀取之間具有一遮蔽（blanking）期，在此期間，讀取（readout）電路為閒置的。因此，可關閉讀取電路以節省功率消耗。然而，於一般亮度狀態下，遮蔽期間通常很短，讀取電路從關閉狀態回復時，往往無法即時達到穩定，因而降低影像感測器的效能。

鑑於傳統影像感測器無法有效節省功率消耗，因此亟需提出一種新穎的影像感測器，以克服傳統影像感測器的缺點。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種影像感測器及一種影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，用以有效節省功率消耗，且不會造成帶狀（banding）現象。

根據本發明實施例，使用電子式滾動快門一列一列地重置影像感測器的像素，再一列一列地從像素讀取信號電荷。獲得積分時間與圖框高度，其中積分時間代表根據入射光線之亮度從像素之光感測器收集信號電荷所需時間。比較積分時間與圖框高度。當積分時間遠大於圖框高度時，產生功率節省信號，且於功率節省信號的主動期間，關閉與操作無關的至少一電路。

第一圖顯示本發明實施例之影像感測器100（例如互補式金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器）的示意圖。影像感測器100主要包含多個像素11，其排列為列與行的矩陣形式。每一像素11可包含光感測器（photo sensor），例如光二極體，以及包含數個電晶體。對於像素11的每一行（或數行組成的群組），還可包含行放大器（未顯示）或感測放大器。

影像感測器100還可包含（垂直）掃描電路12或像素驅動器，於每一時間選擇並重置像素11當中一列的至少一部份。接著，於該選擇像素11中累積或積分信號電荷，再由讀取電路13來讀取。根據本實施例的特徵之一，使用電子式滾動快門14，用以一列一列地讀取信號電荷。讀取電路13可包含相關雙重取樣（correlated double sampling, CDS）電路131，後接類比至數位轉換器（ADC）132。相關雙重取樣電路131可用以減少因製程差異所造成的雜訊，而類比至數位轉換器132則用以將信號電荷從類比形式轉換為數位形式，以利後續的處理，例如以數位信號處理器（未顯示）來處理。上述各元件可由控制器15來控制，其可進行時序控制以協調或同步上述元件所執行的事件。控制器15可使用單一晶片或（整合或分離的）多晶片來實施或製造。此外，電子式滾動快門可整合於控制器 15。

第二圖顯示第一圖之影像感測器100所執行之重置與讀取事件的相關信號時序圖。當像素11的一列（例如第一列）之重置（事件）變為主動（asserted），即開始進行積分（事件）。當積分完成時，同一列的讀取（事件）即變為主動。介於重置的起點與讀取的起點之間的時間定義為積分時間。同於影像感測器領域，本說明書的“積分時間”一詞係指根據入射光線之亮度（illumination），從像素之光感測器收集信號電荷所需的時間。對於現代的影像感測器，可根據入射光線之亮度不同，使得每一圖框的積分時間不同。例如，入射光線的亮度愈低，則積分時間愈長，反之亦是。

繼續參閱第二圖，在本實施例中，介於第一列重置與最後一列重置之間的時間定義為重置域（reset field）。介於相鄰重置域之間的時間為重置域遮蔽期（reset field blanking）。在本實施例中，重置域遮蔽期與重置域之和定義為圖框高度（frame height）。介於第一列讀取與最後一列讀取之間的時間定義為讀取域（read field）。介於相鄰讀取域之間的時間為讀取域遮蔽期（read field blanking）。上述之積分時間與圖框高度可由控制器15得到。

第三圖之流程圖顯示本發明實施例之影像感測器100（第一圖）的可調適降低功率消耗的方法。於步驟31，例如由控制器15（第一圖）提供影像感測器100的積分時間I與圖框高度H。接著，於步驟32，例如由控制器15來比較積分時間I與圖框高度H。如果積分時間I未遠大於圖框高度H，則不進行功率的節省。在本實施例中，所謂“積分時間I遠大於圖框高度H”或步驟32的“I＞”係指I的值較H的值來得大，且兩者間具有預設的差額（margin）。於一例子中，該差額可設為重置像素11之一列所需的時間。

第四圖例示當積分時間I未遠大於圖框高度H（未顯示於第四圖）時，重置域與讀取域的時序圖。如圖所示，重置域遮蔽期42與讀取域遮蔽期43之間具有重疊期41，在該重疊期41當中，重置域與讀取域皆為非主動。在此例子中，重疊期41的時間一般來說不會太長，因而不適於進行功率節省。如果於重疊期41進行功率的節省，則會造成帶狀（banding）現象。

另一方面，如果控制器15於步驟32判定積分時間I遠大於圖框高度H時，則於步驟33，例如由控制器15產生功率節省信號。於功率節省信號的主動期間，讀取電路13的至少一部分，例如相關雙重取樣電路131或/且類比至數位轉換器132，可予以關閉，以降低功率消耗。例如，相關電路的電源可完全關閉，或者可部分關閉（例如降低至操作功率的10%）。

第五圖例示當積分時間I遠大於圖框高度H（未顯示於第五圖）時，重置域與讀取域的時序圖。如圖所示，重置域遮蔽期52與讀取域遮蔽期53之間具有重疊期51，在該重疊期51當中，重置域與讀取域皆為非主動。在此例子中，重疊期51的時間夠長以進行功率節省。一般來說，於重疊期52當中，與操作無關的電路皆可關閉或降低功率消耗，例如，可降低相關電路之時脈速率，可降低相關電路的偏壓電流，或者降低相關電路的供應電壓。

第五圖之重疊期51大於第四圖之重疊期41的原因之一說明如下。如前所述，每ㄧ圖框的積分時間可根據入射光線的亮度而有不同。於一般亮度狀態，只要短時間即可從像素11的光感測器收集足夠信號電荷。因此，重置域遮蔽期52A較短，如第五圖的虛線所示。於低亮度狀態，需要較長時間才能從像素11的光感測器收集足夠的信號電荷。因此，重置域遮蔽期52A較長，如第五圖的延伸實線所示。藉此，重疊期51的時間夠長以進行功率節省，而不會造成帶狀現象。

實務上，如第五圖所示，於重疊期51起點與功率節省信號起點之間設有一前置時間54，其具預設長度之等待時間，用以確保重置域事件可完全結束，使得所執行的功率節省不至於影響影像感測器100的正常操作。

此外，如第五圖所示，於功率節省信號終點與重疊期51終點之間設有一延遲時間55，其具預設長度之等待時間，用以確保相關電路有足夠時間及時從關閉狀態回復至正常操作狀態。

上述實施例可適用異於第二圖操作方式之影像感測器。例如，第六圖例示強化動態範圍（Enhanced Dynamic Range, EDR）影像感測器的時序圖。當積分時間I遠大於圖框高度H時，於重置域1、重置域2及讀取域的重疊期61產生功率節省信號。於功率節省信號的主動期間，讀取電路13的至少一部分，例如相關雙重取樣電路131或/且類比至數位轉換器132，可予以關閉，以降低功率消耗。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100‧‧‧影像感測器
11‧‧‧像素
12‧‧‧掃描電路
13‧‧‧讀取電路
131‧‧‧相關雙重取樣電路
132‧‧‧類比至數位轉換器
14‧‧‧電子式滾動快門
15‧‧‧控制器
31‧‧‧提供I與H
32‧‧‧I是否大於H
33‧‧‧產生功率節省信號
41‧‧‧重疊期
42‧‧‧重置域遮蔽期
43‧‧‧讀取域遮蔽期
51‧‧‧重疊期
52‧‧‧重置域遮蔽期
52A‧‧‧重置域遮蔽期
53‧‧‧讀取域遮蔽期
54‧‧‧前置時間
55‧‧‧延遲時間
61‧‧‧重疊期
I‧‧‧積分時間
H‧‧‧圖框高度

第一圖顯示本發明實施例之影像感測器的示意圖。 第二圖顯示第一圖之影像感測器所執行之重置與讀取事件的相關信號時序圖。 第三圖之流程圖顯示本發明實施例之影像感測器（第一圖）的可調適降低功率消耗的方法。 第四圖例示當積分時間未遠大於圖框高度時，重置域與讀取域的時序圖。 第五圖例示當積分時間遠大於圖框高度時，重置域與讀取域的時序圖。 第六圖例示本發明另一實施例中，當積分時間遠大於圖框高度時，重置域與讀取域的時序圖。

31‧‧‧提供I與H

32‧‧‧I是否大於H

33‧‧‧產生功率節省信號

Claims (16)

1. 一種影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，包含：使用一電子式滾動快門，一列一列地重置該影像感測器的像素；一列一列地從該像素讀取信號電荷；獲得積分時間與圖框高度，其中該積分時間代表根據入射光線之亮度從該像素之光感測器收集信號電荷所需時間；比較該積分時間與該圖框高度；當該積分時間遠大於該圖框高度時，產生一功率節省信號；及於該功率節省信號的主動期間，關閉與操作無關的至少一電路；其中該圖框高度為重置域遮蔽期與重置域之和，其中該重置域係介於第一列重置與最後一列重置之間，且該重置域遮蔽期係介於相鄰重置域之間。
2. 根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，其中該積分時間介於重置某一列的起點與讀取該列的起點之間。
3. 根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，其中該功率節省信號產生於該重置域遮蔽期與讀取域遮蔽期之間的重疊期，其中該讀取域遮蔽期係介於相鄰讀取域之間，且該讀取域係介於第一列讀取與最後一列讀取之間。
4. 根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，當該積分時間未遠大於該圖框高度時，則不進行功率的節省。
5. 根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，其中該功率節省信號的主動期間所關閉的至少一電路包含讀取電路。
6. 根據申請專利範圍第5項所述影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，其中該讀取電路包含相關雙重取樣電路或/且類比至數位轉換器。
7. 根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，更包含於該重疊期的起點與該功率節省信號的起點之間設有一前置時間。
8. 根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的可調適降低功率消耗的方法，更包含於該功率節省信號的終點與該重疊期的終點之間設有一延遲時間。
9. 一種可調適降低功率消耗的影像感測器，包含：一電子式滾動快門；複數像素，排列為列與行的矩陣形式；一掃描電路，藉由該電子式滾動快門，一列一列地重置該些像素；一讀取電路，一列一列地從該些像素讀取信號電荷；及一控制器，用以獲得積分時間與圖框高度，其中該積分時間代表根據入射光線之亮度從該像素之光感測器收集信號電荷所需時間；其中該積分時間與該圖框高度進行比較，當該積分時間遠大於該圖框高度時，則產生一功率節省信號，於該功率節省信號的主動期間，關閉與操作無關的至少一電路；其中該圖框高度為重置域遮蔽期與重置域之和，其中該重置域係介於第一列重置與最後一列重置之間，且該重置域遮蔽期係介於相鄰重置域之間。
10. 根據申請專利範圍第9項所述可調適降低功率消耗的影像感測器，其中該積分時間介於重置某一列的起點與讀取該列的起點之間。
11. 根據申請專利範圍第9項所述可調適降低功率消耗的影像感測器，其中該功率節省信號產生於該重置域遮蔽期與讀取域遮蔽期之間的重疊期，其中 該讀取域遮蔽期係介於相鄰讀取域之間，且該讀取域係介於第一列讀取與最後一列讀取之間。
12. 根據申請專利範圍第9項所述可調適降低功率消耗的影像感測器，當該積分時間未遠大於該圖框高度時，則不進行功率的節省。
13. 根據申請專利範圍第9項所述可調適降低功率消耗的影像感測器，其中該功率節省信號的主動期間所關閉的至少一電路包含該讀取電路。
14. 根據申請專利範圍第13項所述可調適降低功率消耗的影像感測器，其中該讀取電路包含相關雙重取樣電路或/且類比至數位轉換器。
15. 根據申請專利範圍第9項所述可調適降低功率消耗的影像感測器，更包含於該重疊期的起點與該功率節省信號的起點之間設有一前置時間。
16. 根據申請專利範圍第9項所述可調適降低功率消耗的影像感測器，更包含於該功率節省信號的終點與該重疊期的終點之間設有一延遲時間。