CN104270582A

CN104270582A - 图像传感器

Info

Publication number: CN104270582A
Application number: CN201410545408.7A
Authority: CN
Inventors: 古人豪; 林志新; 姚文翰; 赖鸿庆; 杨恕先; 黄昱豪; 吕志宏; 许恩峯; 廖祈杰
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: CN104270582B

Abstract

本发明公开了一种图像传感器，该图像传感器包含一感测矩阵和多条快门控制线。感测矩阵具有多个感测单元，各感测单元具有一个电子快门及一光检测元件，其中该电子快门控制该光检测元件的曝光时间。每一条快门控制线耦接该感测矩阵中同一列或同一行的电子快门，借此独立地控制相异列或相异行的光检测元件的曝光时间，且使耦接同一条的该快门控制线的所述光检测元件具有相同曝光时间。

Description

图像传感器

本发明是一件分案申请，原申请的申请日为2011年03月03日，申请号为201110050503.6，发明名称为：图像传感器。

技术领域

本发明涉及一种图像传感器，特别涉及具光源变异补偿功能的图像传感器。

背景技术

图像传感器可将光转换成电荷(electrical charges)，并将电荷经处理后，输出构成图像的数字电信号。数字电信号可存储在存储媒体上，或输出至图像显示装置，以在显示屏上呈现由其所构成的图像，因此使用上甚为方便。由于其方便性，图像传感器业已运用在许多的电子装置，例如：数字相机、数字摄影机、手机或鼠标等等。

一般图像传感器包含一半导体装置，其可为电荷耦合元件(charge-coupleddevice；CCD)或互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor；CMOS)。图像传感器通常为以矩阵排列的像素(pixel)所构成。受光照射时，像素产生代表图像信息的电荷或电压。存储在像素中的电荷或电压可通过耦接所述像素的位移寄存器(shift register)依序地输出处理。

图像传感器亦可被应用在触控技术上。图1显示一光学触控系统1。参照图1所示，光学触控系统1包含两条状导光件11、多个发光二极管12，以及一图像传感器13。导光件11设置于感测区域14的相邻两侧。多个发光二极管12邻置于导光件11的末端，通过导光件11将其向发光感测区域14投射。图像传感器13则相对导光件11设置。

图2显示图像传感器13所提取的一背景光图像中，其亮度分布图。参照图1与图2所示，在光学触控系统1中，投射在图像传感器13上的背景光，其亮度分布不易均匀。不均匀的亮度分布会造成以下的缺点：受光强的像素，其电荷累积较快，容易造成像素饱和，进而影响到物件的辨识；在亮度较弱的区域，由于信噪比(signal-to-noise ratio；SNR)较低，因此容易产生大的物件图像重心计算误差；以及若物件图像落在图2曲线斜率较大之处，其重心计算不易准确。

以软件计算的方式，将图2的亮度曲线正规化，以获得较均匀的亮度分布，是现今常采用的方法。此种方法虽然可让物件图像的重心计算，不再受不均匀的亮度分布所影响，但是仍无法改进物件在亮度较弱的区域产生的图像，其重心计算误差的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的一目的为提供一种可提供背景光亮度分布均匀的图像的图像传感器。

根据上述目的，本发明一实施例揭示一种图像传感器，其包含一感测矩阵和多条快门控制线。感测矩阵具有多个感测单元，各感测单元具有一个电子快门及一光检测元件，其中该电子快门控制该光检测元件的曝光时间。每一条快门控制线耦接该感测矩阵中同一列或同一行的电子快门，借此独立地控制相异列或相异行的光检测元件的曝光时间，且使耦接同一条的该快门控制线的所述光检测元件具有相同曝光时间。

本发明另一实施例揭示一种图像传感器，其包含至少一列或行的多个感测单元、多个电子快门，以及一存储装置。每一个感测单元包含一光检测元件。多个电子快门分别耦接相对应的光检测元件。存储装置存储有与所述电子快门相对应的多个时序指令，其中所述时序指令对应产生快门控制信号，以分别用于控制所述电子快门。

本发明再一实施例揭示一种图像传感器，其包含至少一行或列的多个感测单元、多个电子快门，以及一图像处理单元。每一个感测单元包含一光检测元件。多个电子快门分别耦接相对应的光检测元件。图像处理单元电性连接所述多个感测单元并取得所述多个感测单元的输出信号，并产生对应的感测信号，其中所述多个电子快门的快门开启时间根据所对应所述感测信号而分别控制。

上文已经概略地叙述本揭示的技术特征及优点，以使下文的本发明详细描述得以获得较佳了解。构成本发明权利要求标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本发明所属技术领域技术人员应可了解，下文揭示的概念与特定实施例可作为基础而相当轻易地予以修改或设计其它结构或工艺而实现与本发明相同的目的。本发明所属技术领域技术人员亦应可了解，这类等同的建构并无法脱离权利要求所提出的本发明的精神和范围。

本发明的有益效果在于，本发明所提供的图像传感器可提供背景光亮度分布均匀的图像。

附图说明

图1显示一光学触控系统；

图2显示图像传感器上的亮度分布图；

图3显示本发明一实施例的图像传感器的功能方框示意图；

图4显示本发明一实施例的图像传感器内的部分感测单元及其控制电路的示意图；

图5显示操作图4的图像传感器的时序图；

图6显示图像传感器上的补偿前与补偿后的亮度分布图；以及

图7显示本发明另一实施例的图像传感器的部分电路示意图。

其中，附图标记说明如下：

1 光学触控系统

2 图像传感器

3 图像传感器

5 曲线

6 曲线

7 预定亮度区间

11 导光件

12 发光二极管

13 图像传感器

14 感测区域

21 感测矩阵

22 时序产生器

23 存储装置

24 图像处理单元

211 感测单元

212 电子快门

213 光检测元件

214 晶体管

215 晶体管

216 定电流

217 晶体管

218 晶体管

219 行解码器

220 读取电路

221 快门控制线

222 快门控制线

223 快门控制线

224 快门控制线

225 时序控制电路

226 位元线

T₁ 曝光时间

T₂ 曝光时间

具体实施方式

图3显示本发明一实施例的图像传感器2的功能方框示意图。图4显示本发明一实施例的图像传感器2内的部分感测单元211及其控制电路的示意图。参照图3所示，图像传感器2包含一感测矩阵(sensor matrix)21、一时序产生器22、一存储装置23，多个电子快门212，以及一图像处理单元24。感测矩阵21包含多个感测单元211，多个感测单元211在水平与垂直方向上排列成一矩阵。多个电子快门212与多个感测单元211对应设置。如图4所示，各感测单元211包含一光检测元件(photodetector)213，电子快门212耦接相应的光检测元件213，以调控光检测元件213的曝光时间。在本实施例中，各电子快门212包含于于对应的感测单元211内。如图3所示，时序产生器22提供用于在感测单元211上提取光图像所需的时序信号(clock signals)，其包含快门控制信号。存储装置23耦接时序产生器22，存储装置23可存储时序指令，时序产生器22根据时序指令产生快门控制信号，其中时序指令可修改，使该快门控制信号可调整，借此控制相应的电子快门212的开启时间。图像处理单元24耦接感测矩阵21。图像处理单元24可电性连接所述多个感测单元211，借此取得所述多个感测单元211的输出信号，以产生对应的感测信号。图像传感器2可根据与所述多个感测单元211对应的所述感测信号的强弱，控制电子快门212的开启时间，以使所述多个感测单元211输出背景亮度较为一致的输出信号。

在另一实施例中，存储装置23可设置在时序产生器22内。

参照图4所示，图像传感器2内的感测单元211可排列成矩阵。在各感测单元211中，光检测元件213根据接收的亮度，相应地产生电荷。晶体管214控制电荷自光检测元件213转移至浮动扩散输出区(floating diffusion(FD)output node)。晶体管215与定电流216构成一源极随耦器(source follower)，源极随耦器可放大光检测元件213产生的光电转换电压。晶体管217是用于输出数据至位元线226上。当RST1或RST2和TG1或TG2在高电平时，可开启晶体管218与晶体管214，如此供应电压VDDAY可重置光检测元件213至其光电转换初始状态(photo-electric conversion initiation state)。当开启晶体管214时，可将电荷自光检测元件213转移至浮动扩散输出区。当输入高电平的RST1或RST2信号时，可利用供应电压VDDAY将浮动扩散输出区重置。

在另一实施例中，各感测单元211可包含多个光检测元件213及多个对应的电子快门212。所述多个电子快门212分别控制每一个光检测元件213的曝光时间。

在另一实施例中，电子快门212为一晶体管。电子快门212串联于供应电压VDDAY与光检测元件213之间。当快门控制信号AB1或AB2在高电平时，供应电压VDDAY重置光检测元件213，使其维持在光电转换初始状态。当光检测元件213开始进行曝光时，快门控制信号AB1或AB2降至低电平，让光检测元件213开始进行光电转换。利用调整电子快门212开启或关闭的时间，即可调控光检测元件213的曝光时间的长短。

行解码器219提供重置信号(RST1～RST2)、信号TG1～TG2、信号AB1～AB2及字元线读取控制信号(word-line readout controlsignals)WL1～WL2。读取电路220从各感测单元211读取图像数据。读取电路220可耦接一解码器(图中未示出)，以接收列选取信号。时序产生器22提供行解码器219与读取电路220所需的时序信号。

特别地，图像传感器2包含多条快门控制线221和222。如图4所示，各快门控制线221或222耦接感测矩阵21中，位在同一横向(行方向)上排列的感测单元211的电子快门212，如此位在同一横向上排列的光检测元件213可以相同的曝光时间进行曝光。再者，多条快门控制线221和222可彼此独立，因此可在多条快门控制线221和222上，分别提供不同的快门控制信号，而使连接不同控制线221和222的光检测元件213可以不同的曝光时间进行曝光。

图5显示操作图4的图像传感器2的时序图(timing chart)，其显示同步信号Vsync、字元线读取控制信号WL～WLn，以及快门控制信号AB1～AB2。参照图1、图4与图5所示，存储装置23可存储与快门控制线221和222对应的时序指令，以在不同快门控制线221或222上，产生具有不同脉波宽度(pulse width)的快门控制信号AB1或AB2，如图所示。在本实施例中，所有光检测元件213的曝光同时开始，并终止在一同步信号Vsync的下降边缘。因此，调整快门控制信号AB1或AB2的脉波宽度，可让排列在不同横向上的光检测元件213以不同的曝光时间进行曝光。在图5的实施例中，由于快门控制信号AB1的脉波宽度较快门控制信号AB2的脉波宽度为小，因此连接在快门控制线221上的光检测元件213所历经的曝光时间T₁较连接在快门控制线222的光检测元件213所历经的曝光时间T₂为长。

图6显示本发明一实施例的光检测元件213曝光时间调整前、后的亮度分布示意图。利用图4揭示的电路架构，可将图像传感器2所提取的图像中，其背景光的亮度分布的变异加以补偿。参照图4与图6所示，在一系统中，在图像传感器2原依一预定曝光时间所提取的图像中，其背景光的亮度分布为曲线5。亮度分布曲线5表示沿横向(或垂直)于控制线221和222的方向上的平均亮度分布，在本实施例中为列方向上。缩短受较强背景光照射的光检测元件213的曝光时间，即将脉波宽度较宽的快门控制信号施加在连接受较强背景光照射的光检测元件213的控制线221或222；而增加受较弱背景光照射的光检测元件213的曝光时间，即将脉波宽度较小的快门控制信号施加在连接受较弱背景光照射的光检测元件213的控制线221或222上。通过前述曝光时间的改变，可得到背景亮度分布(如曲线6所示)较均匀的图像，而达到补偿光源变异的效果。

在另一实施例中，连接各控制线221或222的光检测元件213的曝光时间可以根据一预定亮度区间7所决定。如图6所示，根据构成亮度分布曲线5的原亮度值和预定亮度区间7，图像传感器2可计算出每一控制线221或222上连接的光检测元件213的曝光时间。例如，曝光时间可利用依原曝光时间所获得的原亮度值与预定亮度区间7内的一数值(例如中间值)，依比例计算而得。利用计算的曝光时间曝光，即可使图像传感器2可获得亮度值分布在预定亮度区间内的背景图像。

在一实施例中，如图3所示，图像处理单元24电性连接感测单元211，故可取得感测单元211的输出信号。图像处理单元24并可处理所述输出信号，以产生对应的感测信号。该感测信号即代表相应的感测单元211所感测的亮度值。

图7显示本发明另一实施例的图像传感器3的部分电路示意图。参照图7所示，图像传感器3类似图4揭示的图像传感器2，惟在图像传感器3中，其在列方向上排列的感测单元211的电子快门212，以相应的快门控制线223和224连接。如此，同一列的感测单元211的电子快门212可以同样的曝光时间曝光，而相异列的感测单元211的电子快门212可以不同曝光时间曝光。图像传感器3的电路设计可对感测矩阵21行方向上的光源变异进行补偿，使提取的图像的亮度分布值均匀或在一预定亮度区间内。快门控制线223和224可耦接一时序控制电路225，通过时序控制电路225，时序产生器22可提供各快门控制线223或224对应的快门控制信号。

将图像传感器内同一行或列的电子快门以快门控制线连接，再根据图像传感器提取图像中的背景光亮度分布，对不同快门控制线施以不同的快门控制信号，使得受较强光照的光检测元件，以较短的时间曝光；而受较弱光照的光检测元件，以较长的时间曝光，如此便可解决受光强的光检测元件，其电荷累积较快，容易造成饱和，以及在亮度较弱的区域，容易产生大的物件图像重心计算误差等问题，以及避免亮度分布曲线上出现斜率较大的部分，造成重心计算不易准确的问题。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种图像传感器，包含：

一感测矩阵，具有多个感测单元，每一感测单元具有一个电子快门及一光检测元件，其中该电子快门控制该光检测元件的曝光时间；

多条快门控制线，每一条快门控制线耦接该感测矩阵中同一列或同一行的所述电子快门，借此独立地控制相异列或相异行的所述光检测元件的曝光时间，且使耦接同一条的该快门控制线的所述光检测元件具有相同曝光时间；以及

一时序产生器，与所述多条快门控制线耦接，其中该时序产生器通过所述多条快门控制线使相异列或相异行的电子快门开启时间不同。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，该电子快门为一晶体管，设置于相应的该光检测元件与一供应电压之间。

3.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，该时序产生器产生与所述多条快门控制线对应的多个快门控制信号。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器还包括一存储装置，该存储体装置存储多个时序指令，其中多个快门控制信号依所述多个时序指令产生。

5.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器接受一背景光，其中每一列或行的所述光检测元件的该曝光时间增加时，每一列或行的所述光检测元件所接受的该背景光的亮度亦会增加。

6.一种图像传感器，包含：

一感测矩阵，具有多个感测单元，每一感测单元具有一个电子快门及一光检测元件，其中该电子快门控制该光检测元件的曝光时间；以及

多条快门控制线，每一条快门控制线耦接该感测矩阵中同一列或同一行的所述电子快门，借此独立地控制相异列或相异行的所述光检测元件的曝光时间，且使耦接同一条的该快门控制线的所述光检测元件具有相同曝光时间；

所述多条快门控制线彼此独立，在所述条快门控制线上，分别提供不同的快门控制信号，缩短受较强背景光照的光检测元件的曝光时间，增加受较弱背景光照射的光检测元件的曝光时间。

7.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，该电子快门为一晶体管，设置于相应的该光检测元件与一供应电压之间。

8.根据权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器还包括一时序产生器，与所述多条快门控制线耦接，该时序产生器产生与所述多条快门控制线对应的多个快门控制信号。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器还包括一存储装置，该存储体装置存储多个时序指令，其中多个快门控制信号依所述多个时序指令产生。

10.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，该图像传感器接受一背景光，其中每一列或行的所述光检测元件的该曝光时间增加时，每一列或行的所述光检测元件所接受的该背景光的亮度亦会增加。