图像传感器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104270582 A (43)申请公布日 2015.01.07 CN 104270582 A (21)申请号 201410545408.7 (22)申请日 2011.03.03 201110050503.6 2011.03.03 H04N 5/351(2011.01) H04N 5/359(2011.01) (71)申请人 原相科技股份有限公司 地址 中国台湾新竹县 (72)发明人 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 (74)专利代理机构 隆天国际知识产权代理有限 公司 72003 代理人 赵根喜 李昕巍 (54) 发明名称 图像。

2、传感器 (57) 摘要 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。 (62)分案原申请数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图7页。

3、 (10)申请公布号 CN 104270582 A CN 104270582 A 1/1 页 2 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。。

4、 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。

5、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。

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，。

7、 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。 权 利 要 求 书 CN 104270582 A 2 1/5 页 3 图像传感器 0001 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 0002 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 0003 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。

8、 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。 0004 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-coupled device ； CCD) 或互补式金属氧化物半导体 (complementary metal oxide semiconductor ； 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 regis。

9、ter) 依序地输出处理。 0005 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。 0006 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。

10、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。 0007 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 0。

11、008 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。 0009 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 说 明 书 CN 104270582 A 3 2/5 页 4 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。 0010 本发明另一实施例揭示一种图像传感器。

12、， 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。 0011 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。

13、 据所对应所述感测信号而分别控制。 0012 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。 0013 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 0014 图 1 显示一光学触控系统 ； 0015 图 。

14、2 显示图像传感器上的亮度分布图 ； 0016 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 ； 0017 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 ； 0018 图 5 显示操作图 4 的图像传感器的时序图 ； 0019 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 0020 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。 0021 其中， 附图标记说明如下 ： 0022 1 光学触控系统 0023 2 图像传感器 0024 3 图像传感器 0025 5 曲线 0026 6 曲线 0027 7 预定亮度区间 0028。

15、 11 导光件 0029 12 发光二极管 0030 13 图像传感器 0031 14 感测区域 说 明 书 CN 104270582 A 4 3/5 页 5 0032 21 感测矩阵 0033 22 时序产生器 0034 23 存储装置 0035 24 图像处理单元 0036 211 感测单元 0037 212 电子快门 0038 213 光检测元件 0039 214 晶体管 0040 215 晶体管 0041 216 定电流 0042 217 晶体管 0043 218 晶体管 0044 219 行解码器 0045 220 读取电路 0046 221 快门控制线 0047 222 快门控制线。

16、 0048 223 快门控制线 0049 224 快门控制线 0050 225 时序控制电路 0051 226 位元线 0052 T1 曝光时间 0053 T2 曝光时间 具体实施方式 0054 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 21。

17、1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 。

18、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。 说 明 书 CN 104270582 A 5 4/5 页 6 0055 在另一实施例中， 存储装置 23 可设置在时序产生器 22 内。 0056 参照图 4 。

19、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 VD。

20、DAY 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。 0057 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。 0058 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VD。

21、DAY 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。 0059 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 control signals)WL1。

22、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。 0060 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。

23、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。 0061 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。

24、， 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。 0062 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。

25、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 说 明 书 CN 104270582 A 6 5/5 页 7 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。

26、 ； 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。 0063 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。

27、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。 0064 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。 0065 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， 。

28、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。 0066 将图像传感器内同一行或列。

29、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。 0067 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。

30、 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。 说 明 书 CN 104270582 A 7 1/7 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104270582 A 8 2/7 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 104270582 A 9 3/7 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 104270582 A 10 4/7 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 104270582 A 11 5/7 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 104270582 A 12 6/7 页 13 图 6 说 明 书 附 图 CN 104270582 A 13 7/7 页 14 图 7 说 明 书 附 图 CN 104270582 A 14 。