TWI237998B - Operation of imaging-sensing unit and imaging-sensing device with the same - Google Patents

Description

1237998 138oDtwf.doc/〇〇6 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種影像感測單元之操作方法及使 用其之影像感測裝置，且特別是有關於一種能增加影像感 測單元的動態範圍之操作方法及使用其之影像感測裝置。 【先前技術】 越來越多電子產品内建攝影功能，例如行動電話、個人 數位助理(PDA)及玩具等。再加上電子科技的突飛猛進，影 像感測器也漸漸取代傳統的底片而成為主要的影像感測元 件。影像感測器的功用在於將光訊號轉為電子訊號。目前市 面上衫像感測為’有不少是内建光二極體以作為 光訊號之擷取。 ^ 圖1繪示一種習知的影像感測器之電路圖，請參考圖i。 此影像感測器100包括一參考電壓V(x、一光二極體12〇、一 第一開關130、一源極追隨器（source f〇i1〇wer)14〇、一第 二開關180以及一記憶電路16〇。第一開關13〇、源極追 隨器140以及第二開關18〇可為電晶體。光二極體⑼和 源極追隨器14G皆電性_至第—開關13()。二極體12〇 和源極追隨H 14G皆電性触至參考電壓I。第―開關⑽ 則置於二極體120和參考電壓Vw之間。此外，源極追隨器 140之閘極電性耦接於第—開關130和光二極體12〇之間°。 影像感測器100之記憶電路議則用以紀錄第二開關⑽之 輸出電壓Vout的變化，此輸出電壓v⑽正比於源 之問，的電壓大小。至於影像感測器刚之 詳細地說明如下。 1237998 13860twf.doc/006 圖2繪示圖1的輸出電壓在影像感測器運作週期内的變 化示意圖，請同時參照圖1和圖2。運作週期一開始，先將 開關130導通。光二極體12〇上的電壓Vi與源極追隨器ho 之閘極上的電壓值將等於參考電壓Vee。然後於第一時間Τι， 將開關130截斷，且外界的光線15〇經由透鏡（未繪示）照 射於光二極體120上。光二極體120因為光線150的照射而 產生光電流(photo current)，致使光二極體120之電壓Vi降低。 源極追隨器140之閘極的電壓也跟著下降。在這當中，輸出 電壓VQUt也隨著源極追隨器140之閘極電壓的改變而改變。 之後於第二時間T2，將第一開關130再度導通，以開始另一 新的週期。第一時間η之輸出電壓與第二時間Τ2之輸出 電壓VQUt值會記錄在記憶電路160中，藉由兩者之差值，影 像感測器100可判斷外界光線150的強度。 請繼續參考圖1與圖2，吾人可發現當外界光線150的 強度愈強，輸出電壓之值便下降得愈快。當輸出電壓 在第二時間t2前降為〇時，影像感測器1〇〇便無法再判斷外 界光線150的強度。因此，影像感測器1〇〇之動態範圍有一 上限（動態範圍=影像感測器所能感測到的最大光強度/影像 感測器所能感測到的最小光強度）。 【發明内容】 本發明提供一種影像感測單元之操作方法，以增加 影像感測單元之動態範圍並兼顧影像感測單元之靈敏度。 本發明也提供一種影像感測裝置，以增加影像感測 早元之動您扼圍並兼顧影像感測早元之靈敏度。 本發明提出一種影像感測單元之操作方法，影像感 1237998 13 860twf.doc/006 測單元包括一光電閘、組合光電閘之一光二極體及一第一 開關，第一開關一端連接至一參考電壓，另一端連接至光 二極體。此影像感測單元之操作方法包括下列步驟：（a)施 加第一電壓值於光電閘。（b)導通第一開關。（c)於第: 時間，截斷第一開關。(d)開始讓光二極體被光照射。於 第二時間，降低施加於光電閘之電壓值。（〇於第三時間， 提高施加於光電閘之電壓值。（g)維持第一開關之截斷， 至第四時間。 …本發明再提出—種影像感職置，其包括-影像感 測單70及一控制電路。影像感測單元包括一光電閘、一光 二極體、-第一開關、一源極追隨器以及一第二開關。光 二極體與光電閘相互組合。第—開關 ^壓，第一開關之第二端連接至光二極體之一端。第^ ^第-端連接至參考，源極追隨器之控制端連接至 :二極體之另1。第m端連接至源極追隨器 之弟二端’第二開關之第二端輸出-輸出電壓。 影像❹讀置之控制電_接至f彡像劇單元。控 2路施加第-電壓值於光電開，並導通第一開關。然後， ^時卩錢斷第—開關。接著，便可赠光二極體被光 門所照射。域’於第二時間停止施加第—電壓值於光電 之後於第二時間施加一第二電壓值於光電閘。並 維持第1關之載斷至第四時間。同時，導通第二開 關以輸出輸出電壓。 1237998 13860twf.doc/006 綜上所述，在本發明之影像感測單元之操作方法及 使用其之影像感測裝置，因為於第二時間停止施加第一電 壓值於光電閘。之後，於第三時間施加第二電壓值於光電 閘。這些步驟可以增加電荷容量並進而使輸出電壓值提 高，故能增加影像感測單元之動態範圍。 為讓本發明之上述和其他内容、特徵和優點能更明 顯易懂，下文特舉數較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下。 【實施方式】 圖3繪示為本發明一較佳實施例之影像感測裝置的 示意圖。請參照圖3，一種影像感測裝置2〇〇包括一影像 感測單元210、一控制電路220及一記憶電路23〇。影像 感測單元210包括一光電閘PG、一光二極體212、一第 一開關Ml、一源極追隨器M2以及一第二開關M3。光 二極體212舉例來說可以是金氧半導體，其與光電閘pG 組合，而使得光二極體212之二端分別位於光電閘pG的 二側。第一開關Ml之第一端Mia連接至參考電壓Vce。 第一開關Ml之第二端Mlb連接至光二極體212之一^。 源才，追隨ϋ M2之第-端M2a連接至參考電壓％，源極 追隨器M2之控制端M2c連接至光二極體212之另一端。 第=開關M3之第一端M3a連接至源極追隨器M2之第 h M2b，苐一開關M3之弟二端]Vf3b輸出一輸出電麼 V〇ut。需注意的是，第一開關M1、源極追隨器M2以及第 二開關M3，舉例來說可以是電晶體。 1237998 13860twf.doc/006 -n S =為重置電壓和光電嶋與時間的關係圖。 μ同4參照圖3及圖4,影像感縣置細之控制電路 減至影像感測單元21G。控制電路22G施加第 Vi於光電閘抑接下來，控制電路㈣施加重 ^值 於第-開關M1之控制端RST以導通第一開關m 咖 於第-時間tl停止施加重置電壓％以截斷第 Ml。同時，記憶電路230記錄第一時間ti之輸出^ 之值。之後’外界的光線（未繪示）開始照射於光二。= 上’輸出電壓Vout之值也跟著開始下降。接著 路 於第二時間t2停止施加第-電壓值V1於光電間電^铷 後，於第三時間h控制電路DO施加第二電壓值 之 電閘PG。第二電壓值V2基本上等於第一電壓值於光 第-電壓VI與第二電壓V2二者可以等於v Μ旦 等於L °並且，控制電路22〇維持第一開關:二， ^第四時間t4。同時，控制電路⑽導通第二^^ 尸這時，記憶電路23G記錄第四it 别出電壓V0ut。藉由，記憶電路23〇記錄第、曰1 t4 輸出電>1 Vw與第四時間t4之輸出電藶的差值，ti < 感測裝置200可判斷外界光線的強度。U ，影像 龄出L5/會示為本發明一較佳實施例在不同的光b 則~蝥，、時間的關係圖。請同時參照圖3及 <下 電路220於第二時間h截斷光電閘PG之電壓 趁制 時間t3恢復賴。吾人可發現光強度愈料，齋第三 I2379?8L,〇c/〇〇6 下？速率便愈快。而且’於第三時間^後，輸出電壓明顯 提咼’其原因將於以下做較詳細的討論。 圖6繪不為光二極體之電位井的示意圖。請參照圖6， 當光電閘PG不通以電壓時…型摻雜區以“與^型井u孔 間存在有一電容CPD。當光電閘PG通以電壓時，會於 型井212b相對於光電閘的下方產生一反轉層如⑽= layer)。這樣一來，光二極體212除了存有電容cpD外， 另存有一電容cPG。因為這些電容CpD 、CpG的存在， 型井212b會產生電位井(potentiaUnergy wdl)，外界光^ 照射日守產生之部分電子會儲存於此。 ' 請同時參照圖5及圖6,當光強度愈強時，輸出電壓 值下降的速率愈快。此現象的原因在於光強度愈強，電子 的產生率便欲高，η型摻雜區212a的電壓因而降低，致 使輸出電壓值下降。當光電閘電壓於第二時間h被截斷 後，電谷從CPD +cPG降為CPD，位於電容cPG下方的電子 便會跑到電容CPD下方。若電容為cPD +cPG時所儲存的電 子數大於電容為cPD時所能儲存的最大電子數時，多餘的 電子便經由接地端排出。當光電閘於第三時間、再通以電 壓後，輸出電壓提高。此乃因為施加於光電閘的電壓連帶 使η型摻雜區212a的電壓提高，以及電子於此時的數量 已比光電閘電壓於第二時間t2被截斷前還少所致。 圖7繪示為藉由改變第四時間和第三時間的差值來 調整影像感測器之動態範圍。請同時參閱圖6及圖7，經 twf.doc/006 由實驗測量結果，吾人可發現當第四時間t4和第三時間t3 的差值加大時，動態範圍便減小。主要原因在於第四時間 t4和第三時間t3的差值愈大，光照射的時間加長導致在第 四時間t4的輸出電壓減少所致。 圖8繪示為藉由改變光電閘的電壓來調整影像感測 器之動態範圍。請同時參閱圖5及圖8，經由實驗測量結 果，當施加於光電閘的電壓值增大時，影像感測器之動態 範圍也隨著增加。因為，在第一時間的輸出電壓隨著光電 閘的電壓值增大而加大。而且，在第三時間輸出電壓的回 升值亦較多。 值得注意的是，本發明之影像感測器的光二極體並 不限於金氧半導體。其他附有光電閘的二極體亦不脫離本 發明之範圍。另外，在上述實施例中，第二電壓值通常等 於第一電壓值，但第一電壓值與第二電壓值二者皆可以或 等於參考電壓Vee或不等於參考電壓vee。此外，控制電 路亦可於第二時間施加一第三電壓值於光電閘，並非一定 要截斷電壓。此第三電壓值只要較第一電壓值及第二電壓 值為小’影像感測器便可逹到類式的效果。 綜上所述，在本發明之影像感測裝置，因為控制電 路於一第二時間停止施加第_電壓值於光電閘或將光電閘 之電壓降到比第-電壓值低之某—特定電壓。之後，控制 電路於-第三時間施加-第二電壓值於光電閘或讓光電閘 之電壓之此特定電壓上昇至第二電壓值。這些步驟可以使 1237998 1386〇twf.doc/006 輸出電麗值提高，故能增加影像感測單元之動態範圍。此 外，藉由改變第四時間和第三時間的差值亦可以使影像感 測器之動態範圍加大。而且，藉由調整光電間的電麗也可 達到同樣之效果。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如缺 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫縣發== 神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 、 【圖式簡單說明】 · 圖1繪示一種習知的影像感測器之電路圖。 圖2繪示圖1的輸出在影像感測器運作週期内的 化示意圖。 圖3緣示為本發明—較佳實施例之影像感測裝置的 示意圖。 圖4繪示為重置電壓和光電閘電壓與時間的關係圖。 圖5繪示為本發明—較佳實補在不同的光強度下 輸出電壓與時間的關係圖。 · 圖6繪示為光二極體之電位井的示意圖。 圖7繪不為藉由改變第四時間和第三時間的差值來 調整影像感測器之動態範圍。 圖8緣示為藉由改變光電閘的電壓來調整影像感測 器之動態範圍。 【圖式標記說明】 100 :影像感測器 12 1237998 13860twf.doc/006 120 :光二極體 130 :第一開關 140 :源極追隨器 142 :閘極 150 :光線 160 :記憶電路 180 ··第二開關 :輸出電壓 Vcc :參考電壓 几：第一時間 T2 :第二時間 200 :影像感測裝置 210 :影像感測單元 212 :光二極體 212a : η型摻雜區 212b : ρ型井 220 :控制電路 230 :記憶電路 Ml :第一開關 M2 :源極追隨器 M3 :第二開關 Mla，M2aM3a ··第一端 Mlb，M2bM3b :第二端 13 1237998 13860twf.doc/006

PG :光電閘 RST，Sel，M2c :控制端 :輸出電壓 Vcc :參考電壓 h :第一時間 L ·弟-一時間 t3 ··第三時間 丈4 ·弟四時間 CpD，Cp〇 ·電容

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Claims (1)

1237998 13860twf.doc/006 十、申請專利範圍： 1.一種影像感測單元之操作方法，該影像感測單元包 括：一光電閘、組合該光電閘之一光二極體及一第一開關’ 該第一開關一端連接至一參考電壓，另一端連接至該光二 極體，該操作方法包括下列步驟： 施加一第一電壓值於該光電閘； 導通該第一開關； 於一第一時間，截斷該第一開關； / 於一第二時間，降低施加於該光電閘之電壓值； 於一第三時間，提高施加於該光電閘之電壓值；以 及 維持該第一開關之截斷，至一第四時間。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，係於該第二時 間，停止施加該第一電壓值於該光電閘。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，係於該第三時 間，施加一第二電壓值於該光電閘。 4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，係將該第二電 壓值調整到等於該第一電壓值。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，係將該第一電 壓值調整到等於該參考電壓值。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，係將該第一電 壓值調整到不等於該參考電壓值。 7. 如申請專利範圍第2項所述之方法，係將該第二電 壓值調整到等於該參考電壓值。 15 1237998 13860twf.doc/006 8·如申請專利範圍第2項所述之方法，係將該第二電 壓值調整到不等於該參考電壓值。 9·如申請專利範圍第1項所述之方法，係在該第二時 間，將施加於該光電閘之電壓自該第一電壓值調整為一第 三電壓值，其中該第三電壓值小於該第一電壓值。 10·如申請專利範圍第i項所述之方法，係在該第三 時間時，將施加於該光電閘之電壓自該第三電壓值調整為 一第二電壓值’其中該第二電壓值大於該第三電壓值。 n•如申請專利範圍第1項所述之影像感測單元之操 作方法，更包括調整該第四時間，以改變該影像感測單元 之動態感測範圍。 12·如申請專利範圍第n項所述之方法，係藉由增加 第四時間與第二時間之間的間隔’來減少該動態烕測範 圍。 13·如申請專利範圍第1項所述之影像感測單元之操 作方法，更包括調整該第一電壓值，以改變該影像烕測單 元之最大光感測量。 14·如申請專利範圍第13項所述之方法，係藉由增加 第一電壓值，以增加該最大光感測量。 15·—種影像感測裝置，包括： 一影像感測單元，包括： 一光電閘； 一光二極體，其與該光電閘組合； 16 I23ML。祕 一第一開關，該第一開關之第一端連接至一參 考電壓，該第一開關之第二端連接至該光二極體之一端: 一源極追隨器，該源極追隨器之第一端連接至 該參考電壓，該源極追隨器之控制端連接至該光二極體之 另一端；以及 一第二開關，該第二開關之第一端連接至該源 極追隨為之第二端，該第二開關之第二端輪出一輸出電 壓；以及 、 一控制電路，搞接至該影像感測單元，該控制電路 鲁 可以分別施加不同之電壓值於該第一開關、該光二極體以 及該第二開關。 4 16·如申請專利範圍第15項所述之裝置，該控制電路 可以於不同時間，分別施加不同之電壓值於該第一開關、 該光二極體以及該第二開關。 17·如申請專利範圍第15項所述之裝置，該控制電路 可以依序以下列步驟調整該第一開關、該光二極體與該第 二開關之各自電壓值： · 施加一第一電壓值於該光電閘，並導通該第一開關； 於一第一時間截斷該第一開關，並開始讓該光二極體 被光線所照射； 於一第二時間停止施加該第一電壓值於該光電閘； 於一第三時間施加一第二電壓值於該光電閘，並維持 該第一開關之截斷至一第四時間，同時導通該第二開關， 17 123 7 9 2 器〇twf d〇c/0〇6 以輸出該輸出電壓。 18. 如申請專利範圍第16項所述之裝置，該控制電路 通常係讓該第一電壓等於該第二電壓，但不限制該第一電 壓與該第二電壓二者與該參考電壓之間的關係。 19. 如申請專利範圍第16項所述之裝置，該控制電路 至少可以調整下列之一：該第四時間、該第四時間與該第 三時間的間隔、第一電壓值以及該第二電壓值。 20. 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中該第一 開關為電晶體，該源極追隨器為電晶體，而該第二開關為 電晶體。

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