高动态范围影像感测电路及高动态范围影像读取方法

摘要

本发明提出一种具有适应性转换增益的高动态范围影像感测电路及高动态范围影像读取方法。高动态范围影像感测电路包含可变电容，根据侦测光亮度或内部回授控制以调整可变电容的电容值，以适应性调整代表该影像感测元件所感测的一像素影像的讯号读取时的转换增益。每周期读取讯号时，可以分别读取两次以上不同动态范围的讯号，以增进讯号的精确度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高动态范围影像感测电路及高动态范围影像读取 方法，特别是指一种利用调整可变电容以适应性调整影像读取转换增 益的高动态范围影像感测电路及高动态范围影像读取方法。

背景技术

图1显示美国专利第7,075,049号所公开的一种高动态范围影像感 测元件电路图。如图1所示，高动态范围影像感测元件相较于传统四 晶体管(4T)影像感测元件，增加一个双转换增益晶体管(dual  conversion gain transistor，DCGT)与电容CA，用以切换读取讯号的转换 增益。图2A与2B，以及图2C与2D，分别显示于图1中，高动态范 围影像感测元件在低亮度与高亮度下，各节点的位准示意图，并描述 高动态范围影像感测元件在操作时感测电荷的移转。

在低亮度环境下，如图2A与2B所示，光感测单元pd所产生的 感测电荷较少，而浮动扩散节点(floating diffusion node)fd的电容固定， 借助不导通DCGT，使整体电容较小，因而转换增益较大，如图2B中 的浮动扩散电荷位准所示意。反之，在高亮度环境下，如图2C与2D 所示，光感测单元pd所产生的感测电荷较多，借助导通DCGT，使整 体电容较大，因而转换增益较小，如图2D中的浮动扩散电荷位准所示 意。由此将前述两笔讯号经过处理后可合成高动态范围的影像。

此现有技术的缺点是，转换增益为固定的两种选择，也就是说高 转换增益与低转换增益皆为固定。

另外，美国第7,518,143号专利案所公开的一种高动态范围影像感 测元件，虽然可以调整转换增益，但必须要在转移晶体管TG上，施加 三段电压，且第二段电压是采用感测电荷所累积出来的电压。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种利用调 整可变电容以适应性调整影像读取转换增益的高动态范围影像感测电 路及高动态范围影像读取方法。

发明内容

本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种高动 态范围影像感测电路。

本发明另一目的在于，提出一种高动态范围影像感测元件。

本发明又一目的在于，提出一种高动态范围影像传感器。

本发明再一目的在于，提出一种高动态范围影像读取方法。

为达成以上目的，就其中一个观点而言，本发明提供一种高动态 范围影像感测电路，包含：一影像感测元件形成于一第一导电型基板， 包括：一光感测单元，用以接收光讯号以产生并储存感测电荷；一浮 动扩散节点，用以储存浮动扩散电荷；一转移切换开关，耦接于该光 感测单元与该浮动扩散节点之间，以转移至少部分该感测电荷为该浮 动扩散电荷；至少一可变电容，接收一调整电压以调整该可变电容的 电容值；以及一双转换增益切换开关，耦接于该浮动扩散节点与该可 变电容之间，并接收一转换增益讯号，以根据该转换增益讯号决定是 否电性连接该浮动扩散节点与该可变电容，以改变该浮动扩散电荷读 取时的增益；以及一讯号读取电路，与该影像感测元件耦接，以将该 浮动扩散电荷转换为一讯号，代表该影像感测元件所感测的一像素影 像。

就另一个观点而言，本发明提供一种高动态范围影像感测元件， 包含：一光感测单元，用以接收光讯号以产生并储存感测电荷；一浮 动扩散节点，用以储存浮动扩散电荷；一转移切换开关，耦接于该光 感测单元与该浮动扩散节点之间，以转移至少部分该感测电荷为该浮 动扩散电荷；至少一可变电容，接收一调整电压以调整该可变电容； 以及一双转换增益切换开关，耦接于该浮动扩散节点与该可变电容之 间，并接收一转换增益讯号，以根据该转换增益讯号决定是否电性连 接该浮动扩散节点与该可变电容，以改变该浮动扩散电荷读取时的增 益。

就又一观点而言，本发明提供一种高动态范围影像传感器，包含： 一影像感测元件矩阵，包括：多个影像感测元件，排列为多个行与多 个列，该影像感测元件包括：一光感测单元，用以接收光讯号以产生 并储存感测电荷；一浮动扩散节点，用以储存浮动扩散电荷；一转移 切换开关，耦接于该光感测单元与该浮动扩散节点之间，以转移至少 部分该感测电荷为该浮动扩散电荷；至少一可变电容，接收一调整电 压以调整该可变电容的电容值；以及一双转换增益切换开关，耦接于 该浮动扩散节点与该可变电容之间，并接收一转换增益讯号，以根据 该转换增益讯号决定是否电性连接该浮动扩散节点与该可变电容，以 改变该浮动扩散电荷读取时的增益；以及一讯号读取电路，与该影像 感测元件耦接，以将该浮动扩散电荷转换为一讯号，代表该影像感测 元件所感测的一像素影像；一模拟至数字转换电路，与该讯号读取电 路耦接，其接收并转换该讯号为一数字影像讯号；以及一影像处理电 路，与该模拟至数字转换电路耦接，以处理该讯号。

在以上高动态范围影像传感器的一个实施例中，该影像处理电路 回授控制该转换增益讯号或该调整电压。在另一个实施例中，该高动 态范围影像传感器，更包含有一侦测光强度判断电路，其侦测光强度 而控制该转换增益讯号或该调整电压。

就再一观点而言，本发明提供一种高动态范围影像读取方法，包 含：接收光讯号以产生并储存感测电荷；根据一转移讯号，转移至少 部分感测电荷至浮动扩散节点为一浮动扩散电荷；根据一转换增益讯 号，以决定是否将该浮动扩散节点电性连接至一可变电容，以改变该 浮动扩散电荷读取时的增益，其中，该可变电容根据一调整电压以决 定该可变电容的电容值；读取该浮动扩散电荷为第一讯号，代表该影 像感测元件所感测的一像素影像。

以上影像感测电路、高动态范围影像感测元件、影像传感器、与 影像读取方法中，该可变电容可包括：形成于该第一导电型基板中的 第二导电型掺杂区；以及形成于该第一导电型基板上的至少一极板， 接收该调整电压，以调整该可变电容的电容值；其中，通过该调整电 压与该极板的面积，以决定该可变电容的电容值，或通过该极板将该 第二导电型掺杂区分隔为多个区域，并由该极板接收该调整电压，使 该多个区域于偏压状态下形成至少一种电性连接状态，以调整该可变 电容的电容值。

以上影像感测电路、高动态范围影像感测元件、影像传感器、与 影像读取方法中，可分别读取该浮动扩散电荷为第一讯号和第二讯号； 其中，该第一讯号与该第二讯号的读取分别于该浮动扩散节点与该可 变电容电性连接和不连接时为之。

下面通过具体实施例详加说明，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1显示美国专利第7,075,049号所公开的一种高动态范围影像感 测元件电路图；

图2A与2B，以及图2C与2D，分别显示于图1中，高动态范围 影像感测元件在低亮度与高亮度下，各节点的位准示意图；

图3A-3L显示本发明的第一个实施例；

图4A-4B显示本发明的第二个实施例；

图5A-5F显示本发明的第三个实施例；

图6显示本发明的第四个实施例；

图7显示本发明的系统电路实施例；

图8显示亦可以另设一个侦测光强度判断电路74来控制调整转换 增益讯号或调整电压。

图中符号说明

10     影像感测元件

20     讯号读取电路

21     重置讯号取样与保持电路

22     影像讯号取样与保持电路

71     影像感测元件矩阵

72     模拟至数字转换电路

73     影像处理电路

74     侦测光强度判断电路

C1，C2 电容

CA     可变电容

Cd     扩散电容

CR     重置讯号取样/保持电容

CS1    第一影像讯号取样/保持电容

CS2    第二影像讯号取样/保持电容

DCGT   双转换增益晶体管

Fd     浮动扩散节点

Pd     光侦测单元

RSEL   列选择晶体管

RST    重置晶体管SF源极随耦器

SHR    重置讯号取样晶体管

SHS1   第一影像讯号取样晶体管

SHS2   第二影像讯号取样晶体管

TG     转移晶体管

VC1    第一调整电压

VC2    第二调整电压

Vdd    内部电压

具体实施方式

本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间 的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

图3A-3L显示本发明的第一个实施例。高动态范围影像感测电路 包含影像感测元件10形成于第一导电型基板，例如但不限于为P型半 导体基板，以及讯号读取电路20。请参阅图3A，显示本实施例的电路 图，其中，影像感测元件包括：光感测单元pd，例如但不限于为光二 极管、光栅极、或光导体，用以接收光讯号以产生并储存感测电荷； 浮动扩散节点fd，用以储存浮动扩散电荷；转移切换开关，在本实施 例中为转移晶体管TG，耦接于光感测单元pd与浮动扩散节点fd之间， 以转移至少部分感测电荷为浮动扩散电荷；可变电容CA，例如但不限 于耦接至调整电压VC1与VC2来调整电容值；双转换增益切换开关， 在本实施例中为一双转换增益晶体管DCGT，耦接于浮动扩散节点fd 与可变电容CA之间，并接收转换增益讯号，以决定是否电性连接浮动 扩散节点fd与可变电容CA，以改变读取浮动扩散电荷的增益；重置 晶体管RST，在本实施例中，重置晶体管RST与双转换增益晶体管 DCGT并联于浮动扩散节点fd，重置晶体管RST用以重置浮动扩散节 点fd的位准至预设电位，例如但不限于为内部电压Vdd；源极随耦器 SF，耦接至浮动扩散节点fd，以将浮动扩散电荷转换为讯号，代表该 影像感测元件所感测的一像素影像，在本实施例中，浮动扩散电荷于 浮动扩散节点fd可以以电压形式呈现；以及列选择晶体管RSEL，耦 接于源极随耦器SF，列选择晶体管RSEL由列选择讯号控制，以使能 该列选择晶体管RSEL并接收讯号。

如图3A所示，高动态范围影像感测电路亦包含讯号读取电路20， 包括：重置讯号取样与保持电路21，具有重置讯号取样晶体管SHR与 重置讯号取样/保持电容CR，以取样及储存重置讯号，其中，重置讯号 由源极随耦器SF转换重置后的浮动扩散节点fd的位准所产生；以及影 像讯号取样与保持电路22，例如但不限于具有：第一影像讯号取样晶 体管SHS1与第一影像讯号取样/保持电容CS1，用以第一次取样及储 存讯号；以及第二影像讯号取样晶体管SHS2与第二影像讯号取样/保 持电容CS2，用以第二次取样及储存讯号。

请参阅图3B，显示图3A于P型半导体基板上的影像感测元件俯 视示意图，可变电容CA例如但不限于为如图3B所示，包括于P型基 板中的N型掺杂区形成的扩散电容Cd，以及于P型基板上，分别耦接 于调整电压VC1与VC2、由两极板所形成的电容C1与C2。图3C与 3D为图3B的AA’剖线的剖视示意图，分别显示图3B中，不同调整电 压VC1与VC2时所产生的电容连接状态，以显示本实施例如何利用调 整电压VC1与VC2来调整可变电容CA。图3C显示当调整电压VC1 与VC2不施加电压于极板、或所施加的电压使极板下方不产生N型区 的情况，此时极板下方于基板中产生的电容值为零，故可变电容CA的 电容值为扩散电容Cd。图3D显示当调整电压VC1与VC2施加适当电 压于极板以使极板下方产生N型区，这使得极板下方于基板中产生的 电容值分别为C1与C2，而可变电容CA的电容值变为扩散电容Cd、 C1、与C2的总和。利用不同的调整电压VC1与VC2，以调整可变电 容CA，当双增益转换晶体管DCGT导通时，浮动扩散节点fd与可变 电容CA会电性连接，以改变读取浮动扩散电荷的增益。

请参阅图3E，显示第一个实施例中，一种高动态范围影像的读取 方法的讯号示意图。在本实施例中，首先重置晶体管RST重置浮动扩 散节点的位准至预设位准，例如为内部电压Vdd；将重置讯号取样晶 体管SHR导通，以使重置讯号取样/保持电容CR可以接收内部电压 Vdd以作为重置讯号。接着转移晶体管TG根据转移讯号，转移至少部 分感测电荷至浮动扩散节点fd为浮动扩散电荷；其中，感测电荷为由 光感测单元pd接收光讯号后以产生并储存于光感测单元pd。然后根据 转换增益讯号，以决定是否将浮动扩散节点fd电性连接至可变电容 CA。在图标实例中，举例而言，转换增益讯号是决定将双转换增益晶 体管DCGT导通，以将浮动扩散节点fd电性连接至可变电容CA而改 变读取浮动扩散电荷的增益，其中，可变电容CA根据调整电压VC1 与VC2决定可变电容CA的电容值；如图中所示，当VC1与VC2为0 或1的不同组合时，可变电容CA的电容值可以为Cd、Cd+C1、Cd+C2、 或Cd+C1+C2等不同的结果。当影像讯号取样与保持电路22中第一影 像讯号取样晶体管SHS1导通时，便可读取浮动扩散电荷为讯号，存入 第一影像讯号取样/保持电容CS1。

图3F-3L显示第一实施例中，于转换增益讯号决定将双转换增益 晶体管DCGT导通或不导通时，以及调整电压VC1与VC2为0或1 的不同组合时，各节点的位准示意图，并显示电荷、位准、与电容关 系，其中横轴表示位置，纵轴表示电压位准。图3F显示光感测单元pd 接收如虚线箭头所示意的光讯号，产生并储存感测电荷。图3G显示当 转移晶体管TG根据转移讯号导通后，转移感测电荷至浮动扩散节点fd 为浮动扩散电荷。图3H显示转换增益讯号决定将双转换增益晶体管 DCGT不导通时，于转移晶体管TG根据转移讯号不导通后，储存于浮 动扩散节点fd的浮动扩散电荷，造成浮动扩散节点fd位准的改变，例 如由图中的讯号S1所示意，其可作为一个可被读取的讯号。

当转换增益讯号决定将双转换增益晶体管DCGT导通，以读取讯 号，如图3I-3L所示意，图3I-3L分别表示当VC1与VC2为0，0、0，1、 1，0、与1，1时，可变电容CA分别为Cd、Cd+C2、Cd+C1、与Cd+C1+C2， 相对应的浮动扩散节点fd的位准，例如由各图中的讯号S2、S3、S4、 与S5所示意，其分别可被读取。

以上显示，根据本发明，可以读取不同位准的讯号，以在不同的 感光条件下，使所读取的影像更为精确。

图4A-4B显示本发明的第二个实施例，与第一个实施例不同的是， 重置晶体管RST与双转换增益晶体管DCGT串联于浮动扩散节点fd。 另外，可变电容CA包括于P型基板中的N型掺杂区形成的扩散电容 Cd1与Cd2，以及于P型基板上，耦接于调整电压VC1的极板形成的 电容C1，需注意的是，在本实施例中，极板与极板下方的P型基板， 将扩散电容Cd1与Cd2分隔开来，如此，当VC1为0或1的不同位准 时，可变电容CA的电容值为Cd1或Cd1+C1+Cd2等不同的结果。

图5A-5F显示本发明的第三个实施例，与第一个实施例不同的是， 本实施例中，读取讯号时是储存两组电荷资料，亦即，当导通影像讯 号取样与保持电路22中第一影像讯号取样晶体管SHS1，读取浮动扩 散电荷作为讯号储存在第一影像讯号取样/保持电容CS1内之后，再导 通影像讯号取样与保持电路22中第二影像讯号取样晶体管SHS2，读 取浮动扩散电荷作为讯号储存在第二影像讯号取样/保持电容CS2内， 且在两次读取时，分别将浮动扩散节点fd与可变电容CA连接与不连 接，以取得不同位准的资料。

图6显示本发明的第四个实施例，与第二个实施例不同的是，本 实施例显示重置晶体管RST与双转换增益晶体管DCGT连接于浮动扩 散节点fd。

图7显示本发明的系统电路实施例，显示一种高动态范围影像传 感器，包含：影像感测元件矩阵71、模拟至数字转换电路72、与影像 处理电路73，此高动态范围影像传感器例如但不限于可整合为一集成 电路。其中，影像感测元件矩阵71，包括多个影像感测元件，排列为 多个行与多个列；以及讯号读取电路。影像感测元件与讯号读取电路 如前述的实施例所描述。模拟至数字转换电路72，与讯号读取电路耦 接，其接收并转换讯号为数字影像讯号。影像处理电路73，与模拟至 数字转换电路耦接，以处理讯号。

由本发明的以上内容可知，本发明可以根据不同的感光条件(例 如根据环境亮度的不同)来调整可变电容CA，而动态取得多种不同位 准的讯号，故可以产生更精确的影像。当然，如欲根据不同的感光条 件来调整可变电容CA，则必须对所侦测到的光强度进行判断，并根据 侦测结果以决定转换增益讯号或电容的调整电压。此可以由影像处理 电路73根据内部回授控制决定，例如根据第一讯号与一或多个临界值 的比较来决定(如图7)，或另设一个侦测光强度判断电路74来控制 转换增益讯号或电容的调整电压(如图8)。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，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。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。 例如，本发明的基板不限于为P型半导体基板，可为N型半导体基板 或其它半导体基板，只要相应改变掺杂区即可；再如，在所示各实施 例电路中，可插入不影响讯号主要意义的元件，如其它开关等；又如， 由俯视图视之，极板形状与数量不限于如图所示的矩形与一或两个， 亦可以为其它任意形状与其它数量；又如，调整讯号不限于0或1两 种选择，亦可以为多个字元的数字讯号或一模拟讯号。因此，本发明 的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。