影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置的製作方法
2023-08-10 11:04:16
專利名稱：影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置的製作方法
技術領域：
本發明是涉及一種影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置，特別是涉及一種能增加影像感測單元的動態範圍的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置。
背景技術：
越來越多電子產品內建攝影功能，例如行動電話、個人數碼助理(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。目前市面上影像感測器，有不少是內建光二極體(Photodiode)以作為光訊號的擷取。
圖1是一種現有習知的影像感測器的電路圖，請參閱圖1所示。此影像感測器100包括一參考電壓Vcc、一光二極體120、一第一開關130、一源極追隨器(source follower)140、一第二開關180以及一記憶電路160。第一開關130、源極追隨器140以及第二開關180可為電晶體(電晶體即為電晶體，以下均稱為電晶體)。光二極體120和源極追隨器140皆電性耦接至第一開關130。二極體120和源極追隨器140皆電性耦接至參考電壓Vcc。第一開關130則置於二極體120和參考電壓Vcc之間。此外，源極追隨器140的閘極電性耦接於第一開關130和光二極體120之間。影像感測器100的記憶電路160則用以紀錄第二開關180的輸出電壓Vout的變化，此輸出電壓Vout正比於源極追隨器140的閘極的電壓大小。至於影像感測器100的運作流程，將做詳細地說明如下。
圖2繪示圖1的輸出電壓在影像感測器運作周期內的變化示意圖，請同時參閱圖1和圖2所示。運作周期一開始，先將開關130導通。光二極體120上的電壓V1與源極追隨器140的閘極上的電壓值將等於參考電壓Vcc。然後在第一時間T1，將開關130截斷，且外界的光線150經由透鏡(圖中未示)照射在光二極體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的電壓V1降低。源極追隨器140的閘極的電壓也跟著下降。在這當中，輸出電壓Vout也隨著源極追隨器140的閘極電壓的改變而改變。之後在第二時間T2，將第一開關130再度導通，以開始另一新的周期。第一時間T1的輸出電壓Vout與第二時間T2的輸出電壓Vout值會記錄在記憶電路160中，藉由兩者的差值，影像感測器100可判斷外界光線150的強度。
請繼續參閱圖1與圖2所示，我們便可發現當外界光線150的強度愈強，輸出電壓Vout的值便下降得愈快。當輸出電壓Vout在第二時間t2前降為0時，影像感測器100便無法再判斷外界光線150的強度。因此，影像感測器100的動態範圍有一上限(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)。
由此可見，上述現有的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置在操作方法與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發展完成，而一般操作方法及使用其的影像感測裝置又沒有適切的操作方法及結構能夠解決上述問題，此顯然是相關業者急欲解決的問題。
有鑑於上述現有的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置存在的缺陷，本發明人基於從事此類產品設計製造多年豐富的實務經驗及專業知識，並配合學理的運用，積極加以研究創新，以期創設一種新的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置，能夠改進一般現有的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計，並經反覆試作及改進後，終於創設出確具實用價值的本發明。
發明內容
本發明的目的在於，克服現有的影像感測單元的操作方法所存在的缺陷，而提供一種新的影像感測單元的操作方法，所要解決的技術問題是使其可以增加影像感測單元的動態範圍併兼顧影像感測單元的靈敏度，從而更加適於實用。
本發明的另一目的在於，克服現有的影像感測裝置存在的缺陷，而提供一種新型結構的影像感測裝置，所要解決的技術問題是使其可以增加影像感測單元的動態範圍併兼顧影像感測單元的靈敏度，從而更加適於實用。
本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種影像感測單元的操作方法，該影像感測單元包括一光電閘、組合該光電閘的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，該操作方法包括以下步驟施加一第一電壓值於該光電閘；導通該第一開關；在一第一時間，截斷該第一開關；在一第二時間，降低施加於該光電閘的電壓值；在一第三時間，提高施加於該光電閘的電壓值；以及維持該第一開關的截斷，至一第四時間。
本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。
前述的影像感測單元的操作方法，更包括下列可能變化在該第二時間，停止施加該第一電壓值於該光電閘；以及在該第三時間，施加一第二電壓值於該光電閘。
前述的影像感測單元的操作方法，是將該第二電壓值調整到等於該第一電壓值。
前述的影像感測單元的操作方法，是在該第二時間，將施加於該光電閘的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。
前述的影像感測單元的操作方法，是在該第三時間時，將施加於該光電閘的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。
前述的影像感測單元的操作方法，更包括下列可能變化調整該第四時間，以改變該影像感測單元的動態感測範圍；以及藉由增加第四時間與第三時間之間的間隔，來減少該動態感測範圍。
前述的影像感測單元的操作方法，更包括下列可能變化調整該第一電壓值，以改變該影像感測單元的最大光感測量；以及藉由增加第一電壓值，以增加該最大光感測量。
本發明的目的及解決其技術問題還採用以下的技術方案來實現。依據本發明提出的一種影像感測裝置，其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；一第一開關，該第一開關的第一端連接至一參考電壓，該第一開關的第二端連接至該光二極體的一端；一源極追隨器，該源極追隨器的第一端連接至該參考電壓，該源極追隨器的控制端連接至該光二極體的另一端；以及一第二開關，該第二開關的第一端連接至該源極追隨器的第二端，該第二開關的第二端輸出一輸出電壓；以及一控制電路，耦接至該影像感測單元，該控制電路可以分別施加不同的電壓值於該第一開關、該光二極體以及該第二開關。
本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。
前述的影像感測裝置，其中所述的控制電路可以在不同時間，分別施加不同的電壓值於該第一開關、該光二極體以及該第二開關。
前述的影像感測裝置，其中所述的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的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；在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；在一第二時間停止施加該第一電壓值於該光電閘；在一第三時間施加一第二電壓值於該光電閘，並維持該第一開關的截斷至一第四時間，同時導通該第二開關，以輸出該輸出電壓。
前述的影像感測裝置，其中所述的控制電路通常是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。
前述的影像感測裝置，其中所述的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。
前述的影像感測裝置，其中所述的第一開關為電晶體，該源極追隨器為電晶體，而該第二開關為電晶體。
本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。由以上技術方案可知，為了達到前述發明目的，本發明的主要技術內容如下本發明提出一種影像感測單元的操作方法，影像感測單元包括一光電閘、組合光電閘的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。此影像感測單元的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)在第一時間，截斷第一開關。(d)開始讓光二極體被光照射。(e)在第二時間，降低施加於光電閘的電壓值。(f)在第三時間，提高施加於光電閘的電壓值。(g)維持第一開關的截斷，至第四時間。
本發明再提出一種影像感測裝置，其包括一影像感測單元及一控制電路。影像感測單元包括一光電閘、一光二極體、一第一開關、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。第一開關的第一端連接至參考電壓，第一開關的第二端連接至光二極體的一端。第二開關的第一端連接至參考電壓，源極追隨器的控制端連接至光二極體的另一端。第二開關的第一端連接至源極追隨器的第二端，第二開關的第二端輸出一輸出電壓。
影像感測裝置的控制電路耦接至影像感測單元。控制電路施加第一電壓值於光電閘，並導通第一開關。然後，在第一時間截斷第一開關。接著，便可以讓光二極體被光線所照射。然後，在第二時間停止施加第一電壓值於光電閘。之後，在一第三時間施加一第二電壓值於光電閘。並且，維持第一開關的截斷至第四時間。同時，導通第二開關以輸出輸出電壓。
經由上述可知，本發明是關於一種影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置，該影像感測單元包括光電閘、組合光電閘的光二極體及第一開關。第一開關一端連接至參考電壓，另一端連接至光二極體。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)在第一時間，截斷第一開關。(d)讓光二極體被光所照射。(e)在第二時間，停止施加第一電壓值於光電閘。(f)在第三時間，施加第二電壓值於光電閘。(g)維持第一開關的截斷，至第四時間。此種影像感測單元的操作方法能讓使用其的影像感測裝置有較大的動態感測範圍。
藉由上述技術方案，本發明影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置至少具有下列優點在本發明的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置，因為在第二時間停止施加第一電壓值於光電閘。之後，在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的動態範圍。
綜上所述，本發明特殊的影像感測單元的操作方法，可以增加影像感測單元的動態範圍併兼顧影像感測單元的靈敏度。本發明特殊結構的影像感測裝置，可以增加影像感測單元的動態範圍併兼顧影像感測單元的靈敏度。其具有上述諸多的優點及實用價值，並在同類方法中未見有類似的設計公開發表或使用而確屬創新，其不論在操作方法上或功能上皆有較大的改進，在技術上有較大的進步，並產生了好用及實用的效果，且較現有的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置具有增進的多項功效，從而更加適於實用，而具有產業的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並為了讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，以下特舉一較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。
圖1是一種現有習知的影像感測器的電路圖。
圖2是圖1的輸出電壓在影像感測器運作周期內的變化示意圖。
圖3是本發明一較佳實施例的影像感測裝置的示意圖。
圖4是重置電壓和光電閘電壓與時間的關係圖。
圖5是本發明一較佳實施例在不同的光強度下輸出電壓與時間的關係圖。
圖6是光二極體的電位井的示意圖。
圖7是藉由改變第四時間和第三時間的差值來調整影像感測器的動態範圍。
圖8是藉由改變光電閘的電壓來調整影像感測器的動態範圍。
100影像感測器 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Vout輸出電壓 Vcc參考電壓
T1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 212an型摻雜區212bp型井 220控制電路230記憶電路 M1第一開關M2源極追隨器M3第二開關M1a，M2a M3a第一端 M1b，M2b M3b第二端PG光電閘RST，Se1，M2c控制端Vout輸出電壓 Vcc參考電壓t1第一時間 t2第二時間t3第三時間 t4第四時間CPD，CPG電容具體實施方式
為了更進一步的闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置其具體的實施方式、操作方法、步驟、結構、特徵及其功效，詳細說明如後。
圖3繪示為本發明一較佳實施例的影像感測裝置的示意圖。請參閱圖3所示，一種影像感測裝置200包括一影像感測單元210、一控制電路220及一記憶電路230。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M1、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的二端分別位於光電閘PG的二側。第一開關M1的第一端M1a連接至參考電壓Vcc。第一開關M1的第二端M1b連接至光二極體212的一端。源極追隨器M2的第一端M2a連接至參考電壓Vcc，源極追隨器M2的控制端M2c連接至光二極體212的另一端。第二開關M3的第一端M3a連接至源極追隨器M2的第二端M2b，第二開關M3的第二端M3b輸出一輸出電壓Vout。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。
圖4是重置電壓和光電閘電壓與時間的關係圖。請同時參閱圖3及圖4所示，影像感測裝置200的控制電路220耦接至影像感測單元210。控制電路220施加第一電壓值V1於光電閘PG。接下來，控制電路220施加重置電壓VRST在第一開關M1的控制端RST以導通第一開關M1。然後，在第一時間t1停止施加重置電壓VRST以截斷第一開關M1。同時，記憶電路230記錄第一時間t1的輸出電壓Vout的值。之後，外界的光線(圖中未示)開始照射在光二極體212上，輸出電壓Vout的值也跟著開始下降。接著，控制電路220在第二時間t2停止施加第一電壓值V1於光電閘PG。之後，在第三時間t3控制電路220施加第二電壓值V2於光電閘PG。第二電壓值V2基本上等於第一電壓值V1，但第一電壓V1與第二電壓V2二者可以等於Vcc亦可以不等於Vcc。並且，控制電路220維持第一開關M1的截斷至第四時間t4。同時，控制電路220導通第二開關M3以輸出輸出電壓Vout。這時，記憶電路230記錄第四時間t4的輸出電壓Vout。藉由，記憶電路230記錄第一時間t1的輸出電壓Vout與第四時間t4的輸出電壓Vout的差值，影像感測裝置200可判斷外界光線的強度。
圖5繪示為本發明一較佳實施例在不同的光強度下輸出電壓與時間的關係圖。請同時參閱圖3及圖5所示，控制電路220在第二時間t2截斷光電閘PG的電壓，又在第三時間t3恢復電壓。我們可發現光強度愈強時，輸出電壓的下降速率便愈快。而且，在第三時間t3後，輸出電壓明顯提高，其原因將在以下做較詳細的討論。
圖6繪示為光二極體的電位井的示意圖。請參閱圖6所示，當光電閘PG不通以電壓時，n型摻雜區212a與p型井212b間存在有一電容CPD。當光電閘PG通以電壓時，會於p型井212b相對於光電閘的下方產生一反轉層(inversion 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，p型井212b會產生電位井(potential-energy well)，外界光線照射時產生的部分電子會儲存於此。
請同時參閱圖5及圖6所示，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，n型摻雜區212a的電壓因而降低，致使輸出電壓值下降。當光電閘電壓在第二時間t2被截斷後，電容從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。當光電閘在第三時間t3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n型摻雜區212a的電壓提高，以及電子在此時的數量已比光電閘電壓在第二時間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的動態範圍。請同時參閱圖6及圖7，經由實驗測量結果，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是藉由改變光電閘的電壓來調整影像感測器的動態範圍。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，影像感測器的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的範圍。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Vcc或不等於參考電壓Vcc。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，影像感測器便可達到類式的效果。
綜上所述，在本發明的影像感測裝置，因為控制電路在一第二時間停止施加第一電壓值於光電閘或將光電閘的電壓降到比第一電壓值低的某一特定電壓。之後，控制電路在一第三時間施加一第二電壓值於光電閘或讓光電閘的電壓的此特定電壓上升至第二電壓值。這些步驟可以使輸出電壓值提高，故能增加影像感測單元的動態範圍。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的動態範圍加大。而且，藉由調整光電閘的電壓也可達到同樣的效果。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改；等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種影像感測單元的操作方法，影像感測單元包括一光電閘、組合該光電閘的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，該操作方法特徵在於其包括以下步驟施加一第一電壓值於該光電閘；導通該第一開關；在一第一時間，截斷該第一開關；在一第二時間，降低施加於該光電閘的電壓值；在一第三時間，提高施加於該光電閘的電壓值；以及維持該第一開關的截斷，至一第四時間。
2.根據權利要求1所述的影像感測單元的操作方法，其特徵在於更包括下列可能變化在該第二時間，停止施加該第一電壓值於該光電閘；以及在該第三時間，施加一第二電壓值於該光電閘。
3.根據權利要求2所述的影像感測單元的操作方法，其特徵在於是將該第二電壓值調整到等於該第一電壓值。
4.根據權利要求1所述的影像感測單元的操作方法，其特徵在於是在該第二時間，將施加於該光電閘的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。
5.根據權利要求1所述的影像感測單元的操作方法，其特徵在於是在該第三時間時，將施加於該光電閘的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。
6.根據權利要求1所述的影像感測單元的操作方法，其特徵在於更包括下列可能變化調整該第四時間，以改變該影像感測單元的動態感測範圍；以及藉由增加第四時間與第三時間之間的間隔，來減少該動態感測範圍。
7.根據權利要求1所述的影像感測單元的操作方法，其特徵在於更包括下列可能變化調整該第一電壓值，以改變該影像感測單元的最大光感測量；以及藉由增加第一電壓值，以增加該最大光感測量。
8.一種影像感測裝置，其特徵在於其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；一第一開關，該第一開關的第一端連接至一參考電壓，該第一開關的第二端連接至該光二極體的一端；一源極追隨器，該源極追隨器的第一端連接至該參考電壓，該源極追隨器的控制端連接至該光二極體的另一端；以及一第二開關，該第二開關的第一端連接至該源極追隨器的第二端，該第二開關的第二端輸出一輸出電壓；以及一控制電路，耦接至該影像感測單元，該控制電路可以分別施加不同的電壓值於該第一開關、該光二極體以及該第二開關。
9.根據權利要求8所述的影像感測裝置，其特徵在於其中所述的控制電路可以在不同時間，分別施加不同的電壓值於該第一開關、該光二極體以及該第二開關。
10.根據權利要求8所述的影像感測裝置，其特徵在於其中所述的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的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；在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；在一第二時間停止施加該第一電壓值於該光電閘；在一第三時間施加一第二電壓值於該光電閘，並維持該第一開關的截斷至一第四時間，同時導通該第二開關，以輸出該輸出電壓。
11.根據權利要求9所述的影像感測裝置，其特徵在於其中所述的控制電路通常是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。
12.根據權利要求9所述的影像感測裝置，其特徵在於其中所述的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。
13.根據權利要求8所述的影像感測裝置，其特徵在於其中所述的第一開關為電晶體，該源極追隨器為電晶體，而該第二開關為電晶體。
全文摘要
本發明是關於一種影像感測單元的操作方法及使用其的影像感測裝置，該影像感測單元包括光電閘、組合光電閘的光二極體及第一開關。第一開關一端連接至參考電壓，另一端連接至光二極體。上述的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)在第一時間，截斷第一開關；(d)讓光二極體被光所照射；(e)在第二時間，停止施加第一電壓值於光電閘；(f)在第三時間，施加第二電壓值於光電閘；(g)維持第一開關的截斷，至第四時間。此種影像感測單元的操作方法能讓使用其的影像感測裝置有較大的動態感測範圍。
文檔編號H01L31/062GK1602052SQ200410086768
公開日2005年3月30日 申請日期2004年11月1日 優先權日2004年6月9日
發明者賴成孝, 金雅琴, 餘嶽平 申請人:威盛電子股份有限公司