影像传感器及其中的转移电路与转移方法

技术领域

本发明涉及一种影像传感器，特别是指一种具有较短的像素转移时间的影像传感器。本发明还涉及影像传感器中的转移电路与转移方法。

背景技术

图1A显示一种现有技术的影像传感器(影像传感器1)，用以撷取影像。影像传感器1包含由多个像素电路101所形成的阵列10，以及转移电路20。阵列10中的多个像素电路101，排列为多个行与列。在一幅显示画面中，依照该多个行的排列顺序被扫瞄，举例而言，例如由第1行到第m行按照号码排列顺序扫描。当阵列10中的其中一行被选取时，该行中的每一个像素电路101，依照其所对应的列的排列顺序，例如依照第1列到第n列的号码顺序，依序感测一部份的影像，并接收预设重置电压，以根据该部分影像与该预设重置电压，而对应产生取样信号与保持信号。

像素电路101于输出引脚OUT1与OUT2产生取样信号，以消除差模噪声与共模噪声。其中，差模噪声(differential mode noise)与共模噪声(common mode noise)为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。此外，像素电路101于输出引脚OUT1与OUT2产生保持信号，以消除差模噪声与共模噪声。

转移电路20包含多任务器(multiplexer，MUX)21、双相取样电路22、模拟数字转换(analog-to-digital conversion，ADC)电路23以及数字处理电路24。多任务器21自对应的像素电路101选取取样信号与保持信号，并将其对应移转给双相取样电路22。图1B显示转移电路20接收并处理各像素电路101产生的取样信号与保持信号的时序示意图。如图1B所示，双相取样电路22按照像素电路101排列的顺序，一个像素电路101接着一个像素电路101，于各别安排对应的每一个取样期间，接收每一个像素电路101产生的取样信号，并于每一个取样期间之后的保持期间，接收每一个像素电路101产生的保持信号。双相取样电路22收到每一个像素电路101所产生的取样信号与保持信号后，针对每一个像素电路101所产生的取样信号与保持信号执行减法运算，而产生该取样信号与该保持信号的差值，并将该减法运算结果所产生的差值，输入ADC电路23。ADC电路23接收该取样信号与保持信号的差值，并将该差值转换为数字信号。数字处理电路24接收该数字信号，以产生如图1A所示意的像素信号。

图1A与图1B所示的现有技术的影像传感器1的其中一个缺点是，转移电路20必须在不重叠的两个不同的时段中，分别接收取样信号与保持信号。因此，像素转移时间长，也就是说，影像传感器1的画面更新率(frame rate)受到限制。需说明的是，像素转移时间是指从转移电路20自对应的像素电路101选取取样信号与保持信号起算，到根据取样信号与保持信号产生对应的像素信号所需要的时间。

与图1A与图1B所示的现有技术的影像传感器1相比，本发明优于影像传感器1之处在于，根据本发明的影像传感器中的转移电路，于至少部分相同期间内，同时将其中一个像素电路所产生的取样信号转换为对应的数字感测信号，并将另外一个像素电路所产生的保持信号转换为对应的数字重置信号，如此可有效降低像素转移时间。

发明内容

就其中一个观点言，本发明提供了一种影像传感器，用以撷取一影像，该影像传感器包含：转移方法一阵列，由多个像素电路组成，其中每一像素电路用以感测部分该影像，并根据该部分影像与一预设重置电压，对应产生一取样信号与一保持信号；以及转移方法一转移电路，耦接于该阵列，用以将该像素电路产生的该取样信号与该保持信号，转换为对应的一数字感测信号与一数字重置信号，进而根据该数字感测信号与该数字重置信号，而产生对应该像素电路的一像素信号；转移方法其中，于至少部分相同时段内，该转移电路同时将其中一个该像素电路所产生的该取样信号转换为对应的该数字感测信号，并将另外一个该像素电路所产生的该保持信号转换为对应的该数字重置信号。

在一较佳实施例中，该转移电路包括：一感测模拟数字转换电路，与该阵列耦接，用以于一取样期间，将该取样信号转换为该数字感测信号；一重置模拟数字转换电路，与该阵列耦接，用以于一保持期间，将该保持信号转换为该数字重置信号；以及一数字处理电路，与该感测模拟数字转换电路及该重置模拟数字转换电路耦接，用以根据该数字感测信号与该数字重置信号，产生该像素信号。

在一较佳实施例中，该多个像素电路排列为多个行与列，而形成该阵列；其中该感测模拟数字转换电路于对应的该行被选择时，依照该多个列的排列顺序，将该取样信号转换为该数字感测信号；其中该重置模拟数字转换电路于对应的该行被选择时，依照该多个列的排列顺序，将该保持信号转换为该数字重置信号。

在一较佳实施例中，该重置模拟数字转换电路具有一重置范围与一重置分辨率，且该感测模拟数字转换电路具有一感测范围与一感测分辨率，其中该重置范围小于该感测范围，且该重置分辨率不小于该感测分辨率。

在一较佳实施例中，该重置模拟数字转换电路包括多个比较器，其中该多个比较器用以将该保持信号转换为该数字重置信号，其中，该多个比较器的数量，由该重置范围及/或该重置分辨率决定。

在一较佳实施例中，该比较器的数量不小于20。

在一较佳实施例中，该数字处理电路，对该数字感测信号与该对应的数字重置信号，执行一减法操作，以产生该像素信号。

在一较佳实施例中，该像素电路包括：一感测元件，用以感测该部分影像并产生一光感测信号；一储存元件，与该感测元件耦接，用以储存该光感测信号与该预设重置电压；以及一放大电路，与该感测元件及该储存元件耦接，用以分别根据该光感测信号与该预设重置电压，对应产生该取样信号与该保持信号。

就另一个观点言，本发明也提供了一种影像传感器的转移电路，耦接于由多个像素电路组成的一阵列，其中每一像素电路用以感测部分的一影像，并根据该部分影像与一预设重置电压，对应产生一取样信号与一保持信号；该转移电路包含：一感测模拟数字转换电路，与该阵列耦接，用以于一取样期间，将该取样信号转换为一数字感测信号；一重置模拟数字转换电路，与该阵列耦接，用以于一保持期间，将该保持信号转换为一数字重置信号；以及一数字处理电路，与该感测模拟数字转换电路及该重置模拟数字转换电路耦接，用以根据该数字感测信号与该数字重置信号，产生该像素信号；其中，于至少部分相同时段内，该感测模拟数字转换电路将其中一个该像素电路所产生的该取样信号转换为对应的该数字感测信号，同时，该重置模拟数字转换电路将另外一个该像素电路所产生的该保持信号转换为对应的该数字重置信号。

就另一个观点言，本发明也提供了一种影像传感器的转移方法，其中该影像传感器用以撷取一影像，并包含由多个像素电路组成的一阵列与一转移电路，该转移方法包含：以每一像素电路感测该影像的一部分；根据该部分影像与一预设重置电压，对应产生一取样信号与一保持信号；以该转移电路将多个该像素电路产生的多个该取样信号与多个该保持信号，转换为对应的多个数字感测信号与多个数字重置信号；以及根据多个该数字感测信号与多个该数字重置信号，而产生对应该多个像素电路的多个像素信号；其中，于至少部分相同时段内，该转移电路同时将其中一个该像素电路所产生的该取样信号转换为对应的该数字感测信号，并将另外一个该像素电路所产生的该保持信号转换为对应的该数字重置信号。

在一较佳实施例中，该以该转移电路将多个该像素电路产生的多个该取样信号与多个该保持信号，转换为对应的多个该数字感测信号与多个该数字重置信号的步骤，包括：于一取样期间，将该取样信号转换为该数字感测信号；于一保持期间，将该保持信号转换为该数字重置信号；以及根据该数字感测信号与该数字重置信号，产生该像素信号。

在一较佳实施例中，该数像素电路排列为多个行与列，而形成该阵列；其中该感测模拟数字转换电路于对应的该行被选择时，依照该多个列的排列顺序，将该取样信号转换为该数字感测信号；其中该重置模拟数字转换电路于对应的该行被选择时，依照该多个列的排列顺序，将该保持信号转换为该数字重置信号。

在一较佳实施例中，该重置模拟数字转换电路具有一重置范围与一重置分辨率，且该感测模拟数字转换电路具有一感测范围与一感测分辨率，其中该重置范围小于该感测范围，且该重置分辨率不小于该感测分辨率。

在一较佳实施例中，该根据该数字感测信号与该数字重置信号，产生该像素信号的步骤包括：对该数字感测信号与该对应的数字重置信号，执行一减法操作，以产生该像素信号。

在一较佳实施例中，该像素电路包括：一感测元件，用以感测该部分影像并产生一光感测信号；一储存元件，与该感测元件耦接，用以储存该光感测信号与该预设重置电压；以及一放大电路，与该感测元件及该储存元件耦接，用以分别根据该光感测信号与该预设重置电压，对应产生该取样信号与该保持信号。

以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A显示一种现有技术的影像传感器的示意图。

图1B显示一种现有技术的时序图的示意图，显示双相取样电路22按照像素电路101排列的顺序，一个像素电路101接着一个像素电路101，接收取样信号与保持信号。

图2A与图2B显示根据本发明的第一个实施例的示意图。

图3显示根据本发明的第二个实施例的示意图。

图4显示根据本发明的第三个实施例的示意图。

图5显示根据本发明的第四个实施例的示意图。

图6显示根据本发明的第五个实施例的示意图。

具体实施方式

本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。

图2A与图2B显示根据本发明的第一个实施例的示意图。如图2A所示，影像传感器(影像传感器2)，用以撷取影像。影像传感器2包含由多个像素电路101所形成的阵列10，以及转移电路30。如图2A所示，阵列10中的多个像素电路101，排列为多个行与列。每一像素电路101用以感测部分影像，并根据部分影像与预设重置电压，对应产生取样信号与保持信号。在一幅显示画面中，依照该多个行的排列顺序被扫瞄，举例而言，例如由第1行到第m行按照号码排列顺序扫描。当阵列10中的其中一行被选取时，该行中的每一个像素电路101，依照其所对应的列的排列顺序，例如依照第1列到第n列的号码顺序，依序感测一部份的影像，并接收预设重置电压，以根据该部分影像与该预设重置电压，而对应产生取样信号与保持信号。需说明的是，前述m与n都为正整数。

像素电路101于一期间内，同步于输出引脚OUT1与OUT2产生取样信号，以消除其差模噪声与共模噪声。此外，像素电路101也于另一期间内，同步于输出引脚OUT1与OUT2产生保持信号，以消除其差模噪声与共模噪声。其中，差模噪声(differential mode noise)与共模噪声(common mode noise)为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。

转移电路30耦接于阵列10，用以将像素电路101产生的取样信号与保持信号，转换为对应的数字感测信号与数字重置信号，进而根据对应的数字感测信号与数字重置信号，而产生对应该像素电路101的像素信号。

根据本发明，转移电路30耦接于阵列10，于至少部分相同时段内，用以将其中一个像素电路101产生的取样信号，转换为对应的数字感测信号，并将另外一个像素电路101所产生的保持信号，转换为对应的数字重置信号，进而根据该数字感测信号与该数字重置信号。

图2B显示相关于本实施例的时序图。如图2B所示，转移电路30于对应的取样期间，接收取样信号，并于对应的保持期间，接收保持信号。与现有技术转移电路20不同，根据本发明的转移电路30并不是一个像素电路101接着一个像素电路101，接收完一个像素电路101产生的取样信号及保持信号之后，才继续接收下一个像素电路101产生的取样信号及保持信号；而是于相同时段内，转移电路30同时接收其中一个像素电路101所产生的取样信号，以及另外一个像素电路101所产生的保持信号。

举例而言，如图2B所示，转移电路30自时间点t0到时间点t1(第1期间T1)的取样期间，接收第1像素电路101所产生的取样信号；且该转移电路30自时间点t1到时间点t2(第2期间T2)的保持期间，接收第1像素电路101所产生的保持信号。于第2期间T2中，转移电路30同时也接收第2像素电路101所产生的取样信号。因此，转移电路30于同一个第2期间T2，同时接收第2像素电路101所产生的取样信号以及第1像素电路101所产生的保持信号。接下来，转移电路30于第3期间T3，同时接收第3像素电路101所产生的取样信号以及第2像素电路101所产生的保持信号，以此类推下去。结果会使得根据本发明的转移时间，相较于现有技术，大幅缩短约50％，也就是说，根据本发明的影像传感器，相较于现有技术的影像传感器1，大幅提升了画面更新率。

如图2A与图2B所示，根据本发明的第一个实施例影像传感器1，其转移时间大约为现有技术的影像传感器1的一半。因此，根据本发明的影像传感器2的画面更新率，大约是现有技术的影像传感器1的两倍。需说明的是，在第2期间T2中，转移电路30不仅同时接收第2像素电路101所产生的取样信号以及第1像素电路101所产生的保持信号，也将第1像素电路101所产生的取样信号与保持信号，转换为第1像素信号。换言之，在一种较佳的实施例中，转移电路30同时将分别由不同的像素电路101所产生的取样信号与保持信号，同时转换为对应的数字感测信号与数字重置信号，并将根据上一个像素电路101所产生的取样信号与保持信号，所转换的数字感测信号与数字重置信号，转换为对应的像素信号。

由同一个像素电路101所产生的取样信号与保持信号，所转换的数字感测信号与数字重置信号完成转换后，转移电路3022对其所对应的数字感测信号与数字重置信号，执行减法操作，并产生数字感测信号与数字重置信号的差值，转移电路30再将该差值，转换为对应该像素电路101的像素信号。

图3显示根据本发明的第二个实施例的示意图。如图3所示，转移电路30包含多任务器31、感测模拟数字转换电路32、重置模拟数字转换电路33以及数字处理电路34。

多任务器31自对应的像素电路101选取取样信号与保持信号，并将选取的取样信号与保持信号，对应移转给感测模拟数字转换电路32与重置模拟数字转换电路33。感测模拟数字转换电路32与阵列10耦接，用以于对应的取样期间，将取样信号转换为数字感测信号。重置模拟数字转换电路33，与阵列10耦接，用以于对应的保持期间，将保持信号转换为数字重置信号。数字处理电路34与感测模拟数字转换电路32及重置模拟数字转换电路33耦接，用以根据对应同一个像素电路101的数字感测信号与数字重置信号，产生像素信号。

在一种较佳的实施例中，多个像素电路101排列为多个行与列，例如为第1行到第m行与第1列到第n列，按照号码顺序，依序排列。其中，m与n都为正整数。当阵列10中的其中一行被选取时，感测模拟数字转换电路32例如对该行中的每一个像素电路101所产生的取样信号，依照其所对应的列的排列顺序，例如依照第1列到第n列的号码顺序，依序将取样信号转换为数字感测信号。类似地，当阵列10中的其中一行被选取时，重置模拟数字转换电路33例如对该行中的每一个像素电路101所产生的取样信号，依照其所对应的列的排列顺序，例如依照第1列到第n列的号码顺序，依序将保持信号转换为数字重置信号。

在一种较佳的实施例中，重置模拟数字转换电路33具有重置范围与重置分辨率，且感测模拟数字转换电路32具有感测范围与感测分辨率，其中重置范围小于感测范围，且重置分辨率不小于感测分辨率。举例而言，重置分辨率例如为20mV/LSB，等于或高于感测分辨率。因此，重置模拟数字转换电路33的重置范围可以采用低于感测模拟数字转换电路32的感测范围，即可在相同或较高的分辨率条件下，将保持信号转换为数字重置信号，这是因为相较于取样信号，保持信号的变动范围较小。因此，重置模拟数字转换电路33可以由多个多个比较器所组成，而不需要如感测模拟数字转换电路32所采用的，感测范围较大、成本较高的模拟数字转换电路。

数字处理电路34与感测模拟数字转换电路32及重置模拟数字转换电路33耦接，在一种较佳的实施例中，数字处理电路34将对应同一个像素电路101的数字感测信号与数字重置信号，执行减法操作，以产生像素信号。

图4显示根据本发明的第三个实施例的示意图。如图4所示，重置模拟数字转换电路33包括多个比较器331[1]到331[p]，其中p为正整数。在一种较佳的实施例中，多个比较器331[1]到331[p]用以将保持信号转换为数字重置信号，其中，多个比较器331[1]到331[p]的数量(也就是p的数值)，由重置范围及/或重置分辨率决定。在一种较佳的实施例中，p的数值不大于20。如图4所示，多个比较器331[1]到331[p]根据保持信号与参考电压Vref，产生数字重置信号。

图5显示根据本发明的第四个实施例的示意图。本实施例显示一个像素电路101的示意图。如图所示，像素电路101包含感测元件1011、储存元件1012以及放大电路1013。感测元件1011用以感测部分影像并产生光感测信号。感测元件1011例如但不限于为光二极管(photodiode)或光敏双极结型晶体管(photo sensitive bipolar junction transistor，BJT)。储存元件1012与感测元件1011耦接，用以于各期间内，储存光感测信号与预设重置电压。放大电路1013与感测元件1011及储存元件1012耦接，用以分别根据光感测信号与预设重置电压，对应产生取样信号与保持信号。

图6显示根据本发明的第五个实施例的示意图。图6显示像素电路101一种较具体的实施例。如图6所示，像素电路101以感测元件1011用以感测部分影像，并于输出引脚OUT1与OUT2产生一差动输出信号作为输出信号，其中，输出信号可为取样信号或是保持信号。除了感测元件1011、储存元件1012以及放大电路1013之外，像素电路101还包括积分(integration)开关M1、偏压(bias)开关M2与重置开关M30。

如图6所示，放大电路1013包括与非门10131与差动读取电路10132。储存元件1012包括电容C1与电容C2。与非门10131根据重置控制信号RST与读取控制信号RD产生控制信号CS，以控制重置开关M30。反相积分控制信号INTN用以控制积分开关M1以及偏压开关M2。如图所示，于闲置期间(当像素电路101状态为闲置，也就是说，当像素电路101所在的行未被选取时)，通过导通偏压开关M2而偏压光感测元件1011于主动工作区，且通过导通重置开关M30而将电容C1与电容C2重设至一重设位准，此时积分开关M1为不导通。接着在快门积分时段中，积分开关M1为不导通，而偏压开关M2与重置开关M30都为不导通，由此，储存于电容C1与电容C2中的电荷可经由光感测元件1011根据光信号的强度而放电，其中光感测元件1011的射极电流正比于光信号的强度。接着在一第一读取时段中，差动读取电路10132中，包含M5-M8的差动对(differential pair)感测积分节点INT上的电压，以产生第一输出位准的差动输出信号，而在一第二读取时段中，差动读取电路10132感测积分节点INT上的电压，以产生第二输出位准的差动输出信号，通过转换电路(未示出)将第一输出位准与第二输出位准相减，即可获得完整的光感测输出信号(未示出)。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述者，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。