影像感测装置以及使用这个影像感测装置的光学导航装置

摘要

本发明公开了一种影像感测装置以及使用这个影像感测装置的光学导航装置，其中影像感测装置包含感测像素以及控制电路。感测像素包含：电荷存储元件；光感应元件，分别在第一、第二模式下产生具第一、第二光感应电荷数量的光感应电荷；以及开关元件，根据控制电压决定该光感应电荷能传送至该电荷存储元件的电荷数量。控制电路产生该控制电压，使得该第一模式下该光感应电荷能传送至该电荷存储元件的电荷数量是一个第一电荷数量，而该第二模式下该光感应电荷能传送至该电荷存储元件的电荷数量是一个第二电荷数量，其中该第一电荷数量和该第二电荷数量均小于该电荷存储元件的最大电荷存储数量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种影像感测装置以及使用这个影像感测装置的光学导航装 置，特别有关一种可避免过曝的影像感测装置以及使用这个影像感测装置的 光学导航装置。

背景技术

现有的光学导航装置(例如光学鼠标或光学触控装置)都是以一光源产生 光来照射对象(例如手指、触控笔，或是光学导航装置放置的表面)，然后以 一影像感测装置撷取包含对象影像的多张图框来计算出对象的位置。为了避 免环境光的干扰而造成误判，其中一种做法是将光源关闭而撷取一张图框， 然后再将光源打开撷取一张图框，将两张图框相减便可计算出仅有光源光照 射下的图框，以增加判断对象位置的精确度。影像感测装置会包含多个感测 像素，用以根据感测到的光产生影像感测信号，而这些影像感测信号经过后 续处理后会产生前述的图框。图1绘示了现有技术中部分感测像素结构的电 路图。如图1所示，感测像素100中会包含一光感应元件PD(例如光二极管) 以及一电荷存储元件C(例如电容)。光感应元件PD会根据接收到的光产生电 荷而存储在电荷存储元件C中。

图2绘示了现有技术中，光源开启时和关闭时，电荷存储元件存储光感 应电荷的示意图。如图2所示，在图1的光源LS关闭时，光感应元件PD根 据环境光产生了光感应电荷数量CR_e的光感应电荷(以白色圆圈表示)，这些 光感应电荷会传送至电荷存储元件C并被存储。而在图2的光源LS开启时， 光感应元件PD根据环境光以及光源LS发出的光源光而产生了光感应电荷数 量CR_e+CR_L的光感应电荷(因光源光而产生的光感应电荷以黑色圆点表示)， 这些光感应电荷也会传送至电荷存储元件C并被存储。光源开启和关闭的光 感应电荷会分别被读出而据以产生影像感测信号，然后再据以产生图框。而 将这两状态下产生的图框相减，便可得到仅有光源光时的图框。

然而，当环境光太强时，就可能影响前述步骤的精确度。图3绘示了现 有技术中，环境光过强而使得光感应电荷大于电荷存储元件的最大电荷存储 数量(即所谓的过曝)的示意图。如图3所示，当环境光相当强时，有可能使 光感应元件PD根据环境光产生的光感应电荷(以白色圆圈表示)的电荷数量超 出电容的最大电荷存储数量。或者，光感应元件PD根据环境光产生的光感 应电荷(以白色圆圈表示)的电荷数量未超出电容的最大电荷存储数量，但根据 环境光产生的光感应电荷加上根据光源光所产生的光感应电荷(以黑色圆点 表示)的总电荷数量超出电容的最大电荷存储数量。这两种情形下，都无法得 到正确的仅有光源光时的图框。

发明内容

因此，本发明一目的是公开一种影像感测装置，其可避免现有技术中图 框过曝的问题。

本发明另一目的是公开一种光学导航装置，其可通过未过曝的图框计算 出对象的相对位移。

本发明一实施例公开了影像感测装置，包含感测像素以及控制电路。感 测像素包含：电荷储存组件；光感应组件，在第一模式下依据所接收的光量 产生第一光感应电荷数量的电荷，并在第二模式下依据所接收的光量产生第 二光感应电荷数量的电荷，其中该第二光感应电荷数量大于该第一光感应电 荷数量；以及开关组件，根据控制电压决定该光感应组件能传送至该电荷储 存组件的电荷数量；以及控制电路，用以产生该控制电压，使得该第一模式 下该光感应电荷能传送至该电荷储存组件的电荷数量为第一电荷数量，而该 第二模式下该光感应电荷能传送至该电荷储存组件的电荷数量为第二电荷数 量，其中该第一电荷数量为该第一光感应电荷数量减去一第三电荷数量，该 第二电荷数量为该第二光感应电荷数量减去该第三电荷数量；其中该第一电 荷数量和该第二电荷数量均小于该电荷储存组件的最大电荷储存数量。此处 的第三电荷数量是开关组件部份导通时，未流入电荷储存组件的光感应电荷 的数量，将在底下以图示详述。

本发明另一实施例公开了一种光学导航装置，包含了影像感测装置、光 源以及处理单元。影像感测装置于第一模式下产生第一影像感测讯号，而在 第二模式下产生第二影像感测讯号，包含感测像素以及控制电路。感测像素 包含；电荷储存组件；光感应组件，在第一模式下依据所接收的光量产生第 一光感应电荷数量的电荷，并在第二模式下依据所接收的光量产生第二光感 应电荷数量的电荷，其中该第二光感应电荷数量大于该第一光感应电荷数量； 开关组件，根据控制电压决定该光感应组件能传送至该电荷储存组件的电荷 数量；以及影像感测讯号产生电路，用以根据该电荷储存组件中所储存的该 电荷产生影像感测讯号；以及控制电路，用以产生该控制电压，使得该第一 模式下该光感应电荷能传送至该电荷储存组件的电荷数量为第一电荷数量， 而该第二模式下该光感应电荷能传送至该电荷储存组件的电荷数量为第二电 荷数量，其中该第一电荷数量为该第一光感应电荷数量减去第三电荷数量， 该第二电荷数量为该第二光感应电荷数量减去该第三电荷数量；其中该第一 电荷数量和该第二电荷数量均小于该电荷储存组件的最大电荷储存数量，而 该影像感测讯号产生电路根据该第一电荷数量的该光感应电荷产生该第一影 像感测讯号及根据该第二电荷数量的该光感应电荷产生该第二影像感测讯 号。光源于第一模式下不发光，而在第二模式下提供占该第二光量的至少一 部份的光给该光感应组件。处理单元将第二影像感测讯号减去该第一影像感 测讯号以计算出该光学导航装置相对于一对象的移动。控制电路可整合在处 理单元中。

通过前述的实施例，可避免现有技术中环境光过强而过曝的问题。而通 过回馈机制以及可自由设定控制电压的机制，可让感应像素中的开关有更适 当的导通程度。

附图说明

图1绘示了现有技术中部分感测像素结构的电路图。

图2绘示了现有技术中，光源有开启时和关闭时，电荷存储元件存储光 感应电荷的示意图。

图3绘示了现有技术中，环境光过强而使得光感应电荷大于电荷存储元 件的最大电荷存储数量的示意图。

图4和图5绘示了根据本发明实施例的影像感测装置的电路图。

图6绘示了图4所示的影像感测装置的动作示意图。

图7和图8绘示了根据本发明实施例的光学导航装置的方块图。 其中，附图标记说明如下：

100 感测像素

400、701、801 影像感测装置

401 影像感测矩阵

402 控制电路

403 信号读取电路

405 放大器

407 模拟数字转换器

409 回馈电路

411 环境光感测装置

501 影像感测信号产生电路

700 光学导航装置

800 光学鼠标

703、803 处理单元

SWR_1、SWR₂ 重置元件

C 电荷存储元件

PIX 感测像素

PD 光感应元件

SW_T 开关元件

T_1、T₂ 晶体管

LS 光源

Sr 表面

SR₁、SR₂、SR_n 信号读出单元

具体实施方式

图4和图5绘示了根据本发明实施例的影像感测装置的电路图。但请留 意图4和图5的结构仅用以举例，并非用以限定本发明。如图4所示，影像 感测装置400包含了影像感测矩阵401、控制电路402、信号读取电路403、 放大器405以及模拟数字转换器407。影像感测矩阵401具有至少一个感测 像素PIX₁₁-PIX_nm。这些感测像素PIX₁₁-PIX_nm根据感测到的一个影像产生至少 一个影像感测信号IS₁₁-IS_nm。信号读取电路403用以读出影像感测信号 IS₁₁-IS_nm。放大器405用以根据至少一个放大参数将该影像感测信号IS₁₁-IS_nm放大成一个放大后影像感测信号AIS₁₁-AIS_nm。模拟数字转换器407用以将放 大后影像感测信号AIS₁₁-AIS_nm转换成数字放大后影像感测信号 DAIS₁₁-DAIS_nm，这些数字后的影像感测信号构成了图框。但请留意影像感测 装置400也可不包含放大器405。这个情况下模拟数字转换器407直接数字 化影像感测信号IS₁₁-IS_nm。控制电路402用以产生控制电压CV给感测像素 PIX₁₁-PIX_nm中至少其一。

图5绘示了较详细的感测像素结构。如图5所示，根据本发明实施例的 感测像素PIX包含了一个电荷存储元件C、一个光感应元件PD以及一个开 关元件SW_T。控制电路402产生的控制电压CV会传送至开关元件SW_T的控 制端，开关元件SW_T会对应控制电压CV的值而决定有多少电荷能流至电荷 存储元件C。此外，感测像素PIX可进一步包括一个重置元件SWR₂，用以 重置光感应元件PD。

图6绘示了图5所示的影像感测装置的动作示意图。如图6所示，当光 源关闭时，感应元件PD会根据环境光产生第一光感应电荷数量CR_PS1的光感 应电荷(以白色圆圈表示)，当开关元件SW_T未导通时，光感应电荷并不会流 入电荷存储元件C。而当开关元件SW_T由控制电压CV控制而部分导通时， 会有一个第三电荷数量CR₃的光感应电荷未流入电荷存储元件C，因此流入 电荷存储元件C的光感应电荷其数量是CR_PS1-CR₃(称为第一电荷数量CR₁)。 当光源开启时，感应元件PD会根据环境光以及光源光产生第二光感应电荷 数量CR_PS2的光感应电荷(根据光源的光产生的光感应电荷以黑色圆点表 示)，其中第二光感应电荷数量CR_PS2=第一光感应电荷数量CR_PS1+光感应电荷 增加量CR_L。当开关元件SW_T未导通时，光感应电荷并不会流入电荷存储元 件C。而当开关元件SW_T由控制电压CV控制而部分导通时，仍会有第三电 荷数量CR3的光感应电荷未流入电荷存储元件C，因此流入电荷存储元件C 的光感应电荷其数量是CR_PS2-CR₃(称为第二电荷数量CR₂)。将根据第二电荷 数量CR₂的光感应电荷产生的影像感测信号减去根据第一电荷数量CR₁的光 感应电荷产生的影像感测信号，便可得到仅根据光源光产生的影像感测信号。 然请留意的是，第六图中下方的第三电荷数量CR₃虽然均以白色圆点表示， 其仅用以示意上下的第三电荷数量CR₃是一致的，并非用以限制下方未流入 电荷存储元件C必然都是原先的第一光感应电荷数量CR_PS1的电荷其中的电 荷。

在图6的实施例中，第一电荷数量CR₁以及第二电荷数量CR₂均小于电 荷存储元件C的最大电荷存储数，因此不会有现有技术中环境光过强而造成 过曝的问题。电荷存储元件C也因此可以不需要大容量，这样可以减少电荷 存储元件C的成本和所占的面积。若电荷存储元件C本身已具有较大的容量， 则通过这样的做法，也可降低影像感测信号的信号噪声比。详细言之，在电 荷存储元件C的容量够大的前提下，在现有技术的做法中，由于电荷会全流 入电荷存储元件C。因此根据光源光产生的光感应电荷会占所有电荷的 而在本发明的实施例中，根据光源光产生的光感应电荷会占所有电荷 的$\frac{{\mathrm{CR}}_2-{\mathrm{CR}}_1}{{\mathrm{CR}}_2}=\frac{({\mathrm{CR}}_{\mathrm{PS}2}-{\mathrm{CR}}_3)-({\mathrm{CR}}_{\mathrm{PS}1}-{\mathrm{CR}}_3)}{({\mathrm{CR}}_{\mathrm{PS}2}-{\mathrm{CR}}_3)}=\frac{{\mathrm{CR}}_{\mathrm{PS}2}-{\mathrm{CR}}_{\mathrm{PS}1}}{{\mathrm{CR}}_{\mathrm{PS}2}-{\mathrm{CR}}_3}=\frac{{\mathrm{CR}}_L}{{\mathrm{CR}}_{\mathrm{PS}2}-{\mathrm{CR}}_3}.$因此根据本 发明的做法，根据光源光产生的光感应电荷而产生的影像感测信号会占有较 大的比例，故可提高影像感测信号的信号噪声比。

请再回到图5，感测像素PIX可进一步包括一个影像感测信号产生电路 501，用以根据电荷存储元件C中所存储的光感应电荷产生一个影像感测信号 IS(即图4中影像感测信号IS₁₁-IS_nm其中之一)。在一个实施例中，影像感测 信号产生电路501包含一个重置元件SWR₁，用以重置电荷存储元件C。除此 之外，影像感测信号产生电路501进一步包括晶体管T₁和T₂。信号读取电路 403中的信号读出单元SR₁、SR₂、SR_n均具有一个储能元件，当控制电路402 以控制信号CS使晶体管T₂导通时，电荷存储元件C中的光感应电荷将经由 晶体管T₁转换成电压，并存储在信号读出单元SR₁、SR₂、SR_n的储能元件中。 本领域技术人员应当可了解图5中影像感测信号产生电路501的详细运作， 故在此不再赘述。但请留意图5中影像感测信号产生电路501的结构仅用以 举例，并非用以限定本发明。

请再参照图4，根据本案实施例的影像感测装置400可进一步包括一个回 馈电路409，可根据第一光感应电荷数量CR_PS1或第二光感应电荷数量CR_PS2与最大电荷存储数量的关系提供回馈信息给控制电路402以调整控制电压。 即调整图6中第三电荷数量CR₃的值，使第一电荷数量CR₁和第二电荷数量 CR₂不超出电荷存储元件C的最大电荷存储数量，但也不会因为减去太多的 第三电荷数量CR₃而影响到正确的判断结果。举例来说，若图4中光源关闭 时的第一电荷数量CR₁已超出电容C的最大电荷存储数量，则表示环境光太 强，使得光源关闭的状态下影像仍然过曝。这个状况下便须调整控制电压CV， 使得通过开关元件SW_T的电荷数量变少(即第三电荷数量CR₃变大)。这样可 以让第一电荷数量CR₁不超出电容C的最大电荷存储数量而不会有过曝的状 况。因此，控制电路402除了根据回馈电路409的信息来调整控制电压外， 也可根据环境光感测装置411提供的环境光信息ELP来提供控制电压。这个 环境光感测装置411用以感测环境光的强度并将相关信息提供给控制电路 402。此外，控制电路402也可接收来自外部的一个控制指令来调整该控制电 压，即可由厂商或使用者来自行设定。但请留意控制电路402、回馈电路409 以及环境光感测装置411不一定要跟影像感测矩阵401位在同一个装置中， 这些元件可位在不同的装置内。

请留意前述的影像感测装置不仅适用在有光源的光学导航装置上，也可 使用在其它装置中。因此根据本案实施例的影像感测装置可简述如下：一种 影像感测装置包含至少一个感测像素以及一个控制电路。感测像素包含：一 个电荷存储元件；一个光感应元件，在一个第一模式下依据所接收的光量产 生一个第一光感应电荷数量的电荷，并在一个第二模式下依据所接收的光量 产生一个第二光感应电荷数量的电荷，其中该第二光感应电荷数量大于该第 一光感应电荷数量；以及一个开关元件，根据一个控制电压决定该光感应元 件能传送至该电荷存储元件的电荷数量；以及一个控制电路，用以产生该控 制电压，使得该第一模式下该光感应电荷能传送至该电荷存储元件的电荷数 量是一个第一电荷数量，而该第二模式下该光感应电荷能传送至该电荷存储 元件的电荷数量是一个第二电荷数量，其中该第一电荷数量是该第一光感应 电荷数量减去一个第三电荷数量，该第二电荷数量是该第二光感应电荷数量 减去该第三电荷数量；其中该第一电荷数量和该第二电荷数量均小于该电荷 存储元件的最大电荷存储数量。

图7和图8绘示了根据本发明实施例的光学导航装置的方块图。如图7 所示，光学导航装置700包含了一个影像感测装置701、一个处理单元703 以及一个光源LS。光源LS将光投射到对象(这个例中是手掌H)以产生多个 图框。影像感测装置701用以撷取多个图框，然后处理单元703根据这些图 框计算出手掌H的位置或手势动作。影像感测装置701包含了前述图5中的 感测像素结构，并包含了控制电路根据前述的图框计算方式来求得只有光源 光的图框，以使手掌H的位置或手势动作的判断更为精确。图8则绘示了一 个光学鼠标800，其也是光学导航装置其中一种。如图8所示，光学鼠标800 包含了一个影像感测装置801、一个处理单元803以及一个光源LS。光源LS 将光投射到对象(这个例中是光学鼠标800所放置的表面Sr)以产生多个图 框。影像感测装置801用以撷取多个图框，然后处理单元803根据这些图框 计算出光学鼠标800相对应表面Sr的移动。影像感测装置801包含了前述图 5中的感测像素结构，并通过控制电路根据前述的图框计算方式来求得只有 光源光的图框，以使光学鼠标800和表面Sr间的相对移动的计算更为精确。 控制电路可整合在处理单元703、803中或独立于处理单元703、803。而且， 光学导航装置700和光学鼠标800也可包含图4中的回馈电路409和环境光 感测装置411。

请留意，本发明所公开的影像感测装置可使用在各式光学导航装置，并 不限于图7和图8中所公开的光学导航装置。因此运用了本发明所公开的影 像感测装置的光学导航装置可简述如下：一种光学导航装置，包含了一个影 像感测装置、一个光源以及一个处理单元。影像感测装置在一个第一模式下 产生一个第一影像感测信号，而在一个第二模式下产生一个第二影像感测信 号，包含一个感测像素以及一个控制电路。感测像素包含；一个电荷存储元 件；一个光感应元件，在一个第一模式下依据所接收的光量产生一个第一光 感应电荷数量的电荷，并在一个第二模式下依据所接收的光量产生一个第二 光感应电荷数量的电荷，其中该第二光感应电荷数量大于该第一光感应电荷 数量；一个开关元件，根据一个控制电压决定该光感应元件能传送至该电荷 存储元件的电荷数量；以及一个影像感测信号产生电路，用以根据该电荷存 储元件中所存储的该电荷产生一个影像感测信号；以及一个控制电路，用以 产生该控制电压，使得该第一模式下该光感应电荷能传送至该电荷存储元件 的电荷数量是一个第一电荷数量，而该第二模式下该光感应电荷能传送至该 电荷存储元件的电荷数量是一个第二电荷数量，其中该第一电荷数量是该第 一光感应电荷数量减去一个第三电荷数量，该第二电荷数量是该第二光感应 电荷数量减去该第三电荷数量；其中该第一电荷数量和该第二电荷数量均小 于该电荷存储元件的最大电荷存储数量，而该影像感测信号产生电路根据该 第一电荷数量的该光感应电荷产生该第一影像感测信号及根据该第二电荷数 量的该光感应电荷产生该第二影像感测信号。光源在第一模式下不发光，而 在第二模式下提供占该第二光量的至少一部分的光给该光感应元件。处理单 元将第二影像感测信号减去该第一影像感测信号以计算出该光学导航装置相 对于一个对象的移动。控制电路可整合在处理单元中。

通过前述的实施例，可避免现有技术中环境光过强而过曝的问题。而通 过回馈机制以及可自由设定控制电压的机制，可让感应像素中的开关有更适 当的导通程度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本 领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。