TWI792258B - 影像感測裝置及其曝光時間調整方法 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測裝置。光感測單元感測包括影像資訊的光信號，而產生感測信號。曝光時間調整電路整合於晶片內，依據感測信號調整光感測單元的曝光時間。

Description

影像感測裝置及其曝光時間調整方法
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種光學影像感測裝置及其曝光時間調整方法。
常見的影像感測裝置可包括由多個感測像素構成的感測像素陣列，各個感測像素可將入射光轉換為感測信號，藉由分析各個感測像素所提供的感測信號，即可獲得感測像素陣列所感測到的影像。進一步來說，各個感測像素可包括光電二極體，其可將光轉換為電信號，光電二極體的持續曝光將造成感測像素輸出的感測信號的電壓值持續下降，藉由讀取感測信號的電壓值即可獲得各個感測像素所感測到的影像。然在曝光量過小(例如曝光時間過短時)，亦即感測信號的電壓值過小時，將可能出現讀取電路的解析度不足，而無法正確讀取感測信號的情形，因此適當的曝光時間對於影像感測裝置的感測品質影像甚鉅。
一般影像感測裝置的曝光時間調整需將影像感測裝置中感測像素提供的感測信號透過系統板以及串列週邊介面傳輸到外部主機，以利用外部主機判斷是否需修改影像感測裝置的韌體設定，而將影像感測裝置的曝光時間調整至適當的時間長度。此種方式雖可使影像感測裝置擁有適當的曝光時間，而可提供清晰的感測影像，然有著效率不佳、提高生產成本的問題，以及信號轉換處理過程中出現錯誤而導致曝光時間調整失敗的風險。
本發明提供一種影像感測裝置的曝光時間調整方法，可大幅提高調整影像感測裝置的曝光時間的效率，有效降低影像感測裝置的生產成本以及曝光時間調整的失敗率。
本發明的影像感測裝置包括至少一光感測單元以及曝光時間調整電路。光感測單元感測包括影像資訊的光信號，而產生感測信號。曝光時間調整電路耦接光感測單元，曝光時間調整電路整合於晶片內，依據感測信號調整光感測單元的曝光時間。
本發明還提供一種影像感測裝置的曝光時間調整方法，包括下列步驟。提供整合於晶片內的曝光時間調整電路。曝光時間調整電路接收至少一光感測單元感測包括影像資訊的光信號而產生的感測信號。曝光時間調整電路依據感測信號調整光感測單元的曝光時間。
基于上述，本發明的實施例將曝光時間調整電路整合至與光感測單元連接的晶片內，可直接依據光感測單元提供的感測信號來調整光感測單元的曝光時間，而不需藉由外部主機來進行曝光時間調整，因此可大幅提高調整影像感測裝置的曝光時間的效率，有效降低影像感測裝置的生產成本。此外，由於曝光時間調整電路可直接依據光感測單元提供的感測信號來進行曝光調整，而不需經由其它裝置再對感測信號進行信號轉換等前置處理，因此可避免信號轉換錯誤的情形發生，有效降低曝光時間調整的失敗率。
圖1是依照本發明的實施例的一種影像感測裝置的示意圖，請參照圖1。影像感測裝置可包括光感測單元102以及曝光時間調整電路104，光感測單元102耦接曝光時間調整電路104。影像感測裝置可例如為指紋感測器或X光平板感測器，然不以此為限。光感測單元102可接收包括影像資訊的光信號而產生感測信號S1，影像資訊可包括指紋資訊或掌紋資訊。曝光時間調整電路104為整合至與光感測單元102連接的晶片內，例如軟性電路板上與光感測單元102連接的指紋影像讀取晶片、指紋識別演算法晶片等，然不以此為限。
曝光時間調整電路104可依據光感測單元102提供的感測信號S1調整光感測單元102的曝光時間，舉例來說，曝光時間調整電路104可依據感測信號S1的訊雜比來調整光感測單元102的曝光時間，例如當光感測單元102的曝光時間不足時，將可能造成感測信號S1的訊雜比偏低，曝光時間調整電路104可控制光感測單元102增加曝光時間長度，將感測信號S1的訊雜比提高至預設範圍內，藉此將光感測單元102的曝光時間調整至適當的時間長度。值得注意的是，影像感測裝置所包括的光感測單元102的數量並不以本實施例為限，在部分實施例中，影像感測裝置可包括多個光感測單元102，曝光時間調整電路104可依據多個光感測單元102的多個感測信號調整多個光感測單元102的曝光時間，例如可依據多個感測信號的訊雜比的平均值調整各光感測單元102的曝光時間。
在部份實施例中，曝光時間調整電路104也可依據感測信號S1包括的影像資訊所對應的電壓值來調整光感測單元102的曝光時間。舉例來說，光感測單元102可在不同時間點產生的對應指紋波峰的感測信號S1以及對應指紋波谷的的感測信號S1，曝光時間調整電路104可依據感測信號S1判斷對應指紋波峰的電壓與對應指紋波谷的電壓的電壓差，由於當光感測單元102的曝光時間恰當時，此電壓差將大於預設電壓差，因此曝光時間調整電路104可依據此電壓差來調整光感測單元102的曝光時間，使此電壓差大於預設電壓差，藉此將光感測單元102的曝光時間調整至適當的時間長度。此外，在影像感測裝置包括多個光感測單元102的實施例中，在不同位置的多個光感測單元102可分別產生對應指紋波峰的感測信號S1或對應指紋波谷的的感測信號S1，曝光時間調整電路104可依據多個光感測單元102產生的感測信號S1判斷對應多個指紋波峰的平均電壓與對應多個指紋波谷的平均電壓的電壓差，並依據此電壓差調整各光感測單元102的曝光時間。
在其它實施例中，曝光時間調整電路104還可依據感測信號S1與預設電壓閥值的比較結果調整光感測單元102的曝光時間。由於在光感測單元102的曝光時間過短時，將造成感測信號S1的電壓值過小，因此曝光時間調整電路104可依據感測信號S1是否大於預設電壓閥值來調整光感測單元102的曝光時間，使感測信號S1的電壓值大於預設電壓閥值，藉此將光感測單元102的曝光時間調整至適當的時間長度。值得注意的是，在部份實施例中，曝光時間調整電路104可將感測信號S1與多個不同的預設電壓閥值進行比較，例如當感測信號S1的電壓介於不同的預設電壓閥值區間時，曝光時間調整電路104可對應地將光感測單元102的曝光時間調整至對應的時間長度，如此可更細緻地調整光感測單元102的曝光時間。在影像感測裝置包括多個光感測單元102的實施例中，曝光時間調整電路104可依據多個光感測單元102產生的感測信號S1的平均電壓值與一個預設電壓閥值或多個預設電壓閥值的比較結果調整各光感測單元102的曝光時間。
如此藉由整合至與光感測單元102連接的晶片內的曝光時間調整電路104來調整光感測單元102的曝光時間，可不需如先前技術般藉由其它的外部裝置來進行曝光時間調整，因此可大幅提高影像感測裝置的曝光時間調整效率，有效降低影像感測裝置的生產成本。此外，由於曝光時間調整電路104可直接依據光感測單元102提供的感測信號S1來進行曝光調整，而不需經由其它的外部裝置再對感測信號S1進行信號轉換等前置處理，因此可避免信號轉換處理過程中出現錯誤的情形發生，進而有效降低曝光時間調整的失敗率。
圖2是依照本發明另一實施例的影像感測裝置的示意圖，請參照圖2。在本實施例中，光感測單元102可包括光電轉換單元D1、寄生電容C1、重置電晶體M1、放大電晶體M2以及選擇電晶體M3。重置電晶體M1的第一端耦接重置電壓Vrst，重置電晶體M1的控制端耦接曝光時間調整電路104。光電轉換單元D1可例如為光電二極體，然不以此為限，其陰極與陽極分別耦接重置電晶體M1的第二端與基準電壓VB(在本實施例基準電壓VB為接地，然不以此為限)，寄生電容C1產生於光電轉換單元D1與重置電晶體M1的共同接點與基準電壓VB之間。放大電晶體M2的第一端與第二端分別耦接電源電壓Vdd與選擇電晶體M3的第一端，選擇電晶體M3的第二端耦接曝光時間調整電路104，選擇電晶體M3的控制端則耦接選擇控制信號SEL。此外，在本實施例中曝光時間調整電路104可包括讀出電路202以及控制電路204，讀出電路202耦接選擇電晶體M3的第二端以及控制電路204，控制電路204還耦接重置電晶體M1的控制端。
重置電晶體M1可受控於控制電路204輸出的重置控制信號RST而於重置期間被導通，並於曝光期間被斷開，藉由調整重置電晶體M1的導通狀態可控制曝光期間的時間長度。其中在重置期間，重置電壓Vrst可透過重置電晶體M1重置放大電晶體M2的控制端的電壓。而在曝光期間，重置電壓Vrst被進入斷開狀態的重置電晶體M1隔離而無法影響放大電晶體M2的控制端的電壓。此時光電轉換單元D1轉換光信號轉換產生的光電轉換信號將使得放大電晶體M2的控制端的電壓下降電壓差ΔV，此電壓差ΔV可經放大電晶體M2轉換為感測信號S1而傳送至選擇電晶體M3的第一端。選擇電晶體M3可受控於選擇控制信號SEL將感測信號S1傳送至讀出電路202。
讀出電路202可依據感測信號S1產生讀出信號給控制電路204，控制電路204則可依據讀出信號控制該光感測單元的曝光時間。進一步來說，控制電路204可依據讀出信號判斷感測信號S1的訊雜比、對應指紋波峰的電壓與對應指紋波谷的電壓的電壓差以及感測信號S1的電壓值等資訊，並依據圖1實施例說明的方式調整光感測單元102的曝光時間，由於圖1實施例已詳細說明其調整方式，因此在此不再贅述。
圖3是依照本發明的實施例的一種影像感測裝置的曝光時間調整方法流程圖，請參照圖3。由上述實施例可知，影像感測裝置的曝光時間調整方法可至少包括下列步驟。首先，提供整合於晶片內的曝光時間調整電路(步驟S302)，其中晶片可例如為軟性電路板上與光感測單元連接的指紋影像讀取晶片、指紋識別演算法晶片等，然不以此為限。接著，曝光時間調整電路接收光感測單元感測包括影像資訊的光信號而產生的感測信號(步驟S304)，其中影像資訊可包括指紋資訊或掌紋資訊。然後再依據感測信號調整光感測單元的曝光時間(步驟S306)。舉例來說，曝光時間調整電路可依據感測信號的訊雜比調整該光感測單元的曝光時間，或依據對應指紋波峰的電壓與對應指紋波谷的電壓的電壓差調整該光感測單元的曝光時間，亦或是依據感測信號與至少一預設電壓閥值的比較結果調整光感測單元的曝光時間。在影像感測裝置包括多個光感測單元的實施例中，曝光時間調整電路可依據多個光感測單元的多個感測信號調整各光感測單元的曝光時間，例如依據多個感測信號的訊雜比的平均值調整各光感測單元的曝光時間，或依據多個感測信號判斷對應多個指紋波峰的平均電壓與對應多個指紋波谷的平均電壓的電壓差，並依據此電壓差調整各光感測單元的曝光時間，或依據多個感測信號的平均電壓值與至少一預設電壓閥值的比較結果調整各光感測單元的曝光時間。
綜上所述，本發明的實施例將曝光時間調整電路整合至與光感測單元連接的晶片內，可直接依據光感測單元提供的感測信號來調整光感測單元的曝光時間，而不需藉由外部主機來進行曝光時間調整，因此可大幅提高調整影像感測裝置的曝光時間的效率，有效降低影像感測裝置的生產成本。此外，由於曝光時間調整電路可直接依據光感測單元提供的感測信號來進行曝光調整，而不需經由其它裝置再對感測信號進行信號轉換等前置處理，因此可避免信號轉換錯誤的情形發生，有效降低曝光時間調整的失敗率。
102:光感測單元 104:曝光時間調整電路 202:讀出電路 204:控制電路 S1:感測信號 D1:光電轉換單元 C1:寄生電容 M1:重置電晶體 M2:放大電晶體 M3:選擇電晶體 VB:基準電壓 Vrst:重置電壓 Vdd:電源電壓 SEL:選擇控制信號 RST:重置控制信號 S302~S306:影像感測裝置的曝光時間調整方法步驟
圖1是依照本發明的實施例的一種影像感測裝置的示意圖。 圖2是依照本發明另一實施例的影像感測裝置的示意圖。 圖3是依照本發明的實施例的一種影像感測裝置的曝光時間調整方法流程圖。
102:光感測單元
104:曝光時間調整電路
202:讀出電路
204:控制電路
S1:感測信號
D1:光電轉換單元
C1:寄生電容
M1:重置電晶體
M2:放大電晶體
M3:選擇電晶體
VB:基準電壓
Vrst:重置電壓
Vdd:電源電壓
SEL:選擇控制信號
RST:重置控制信號

Claims (16)

  1. 一種影像感測裝置，包括：至少一光感測單元，感測包括一影像資訊的光信號，而產生一感測信號；以及一曝光時間調整電路，耦接該光感測單元，該曝光時間調整電路整合於一晶片內，依據該感測信號調整該光感測單元的曝光時間，其中該光感測單元包括：一重置電晶體，其第一端耦接一重置電壓，受控於該曝光時間調整電路而於一重置期間被導通，並於一曝光期間被斷開；一光電轉換單元，耦接於該重置電晶體的第二端與基準電壓之間，將該光信號轉換為一光電轉換信號；一放大電晶體，其第一端耦接一電源電壓，該放大電晶體的控制端耦接該重置電晶體的第二端，反應該光電轉換信號的電壓值而產生該感測信號；以及一選擇電晶體，耦接於該放大電晶體的第二端與該曝光時間調整電路之間，受控於一選擇控制信號而將該感測信號輸出至該曝光時間調整電路，其中該曝光時間調整電路依據該感測信號的訊雜比調整該光感測單元的曝光時間。
  2. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該影像資訊包括指紋資訊或掌紋資訊，該曝光時間調整電路依據該感測信號判 斷對應指紋波峰的電壓與對應指紋波谷的電壓的電壓差，依據該電壓差調整該光感測單元的曝光時間。
  3. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該曝光時間調整電路依據該感測信號與至少一預設電壓閥值的比較結果調整該光感測單元的曝光時間。
  4. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該光感測單元更包括：一寄生電容，產生於該光電轉換單元與該重置電晶體的共同接點與該基準電壓之間，該光電轉換信號產生於該光電轉換單元與該重置電晶體的共同接點上。
  5. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該影像感測裝置包括多個光感測單元，該曝光時間調整電路依據該些光感測單元的多個感測信號調整該些光感測單元的曝光時間。
  6. 如請求項5所述的影像感測裝置，其中該曝光時間調整電路依據該些感測信號的訊雜比的平均值調整該些光感測單元的曝光時間。
  7. 如請求項5所述的影像感測裝置，其中該影像資訊包括指紋資訊或掌紋資訊，該曝光時間調整電路依據該些感測信號判斷對應多個指紋波峰的平均電壓與對應多個指紋波谷的平均電壓的電壓差，依據該電壓差調整該光感測單元的曝光時間。
  8. 如請求項5所述的影像感測裝置，其中該曝光時間調整電路依據該些感測信號的平均電壓值與至少一預設電壓閥值的 比較結果調整該些光感測單元的曝光時間。
  9. 如請求項1所述的影像感測裝置，其中該曝光時間調整電路包括：一讀出電路，耦接該光感測單元，依據該感測信號產生一讀出信號；以及一控制電路，耦接該光感測單元以及該讀出電路，依據該讀出信號控制該光感測單元的曝光時間。
  10. 一種影像感測裝置的曝光時間調整方法，該曝光時間調整方法，包括：提供整合於一晶片內的一曝光時間調整電路；該曝光時間調整電路接收至少一光感測單元感測包括一影像資訊的光信號而產生的一感測信號；該曝光時間調整電路依據該感測信號調整該光感測單元的曝光時間；使一重置電晶體受控於該曝光時間調整電路而於一重置期間被導通，並於一曝光期間被斷開；以一光電轉換單元將該光信號轉換為一光電轉換信號；使一放大電晶體反應該光電轉換信號的電壓值而產生該感測信號；以及使一選擇電晶體受控於一選擇控制信號而將該感測信號輸出至該曝光時間調整電路，其中該曝光時間調整電路依據該感測信號的訊雜比調整該光感測單元的曝光時間。
  11. 如請求項10所述的影像感測裝置的曝光時間調整方法，其中該影像資訊包括指紋資訊或掌紋資訊，該曝光時間調整電路依據該感測信號判斷對應指紋波峰的電壓與對應指紋波谷的電壓的電壓差，並依據該電壓差調整該光感測單元的曝光時間。
  12. 如請求項10所述的影像感測裝置的曝光時間調整方法，其中該曝光時間調整電路依據該感測信號與至少一預設電壓閥值的比較結果調整該光感測單元的曝光時間。
  13. 如請求項10所述的影像感測裝置的曝光時間調整方法，其中該影像感測裝置包括多個光感測單元，該曝光時間調整電路依據該些光感測單元的多個感測信號調整該些光感測單元的曝光時間。
  14. 如請求項13所述的影像感測裝置的曝光時間調整方法，其中該影像資訊包括指紋資訊或掌紋資訊，該曝光時間調整電路依據該些感測信號的訊雜比的平均值調整該些光感測單元的曝光時間。
  15. 如請求項13所述的影像感測裝置的曝光時間調整方法，其中該影像資訊包括指紋資訊或掌紋資訊，該曝光時間調整電路依據該些感測信號判斷對應多個指紋波峰的平均電壓與對應多個指紋波谷的平均電壓的電壓差，依據該電壓差調整該些光感測單元的曝光時間。
  16. 如請求項13所述的影像感測裝置的曝光時間調整方法，其中該曝光時間調整電路依據該些感測信號的平均電壓值與 至少一預設電壓閥值的比較結果調整該些光感測單元的曝光時間。
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