TWI400945B - 時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路 - Google Patents
時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路 Download PDFInfo
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Description
本發明係關於電子影像技術，尤指一種用於一金屬氧化物半導體影像感測器的系統架構及訊號處理方法。
電子影像裝置透過光電轉換，轉換一輸入光影像為一輸出電子輸出訊號。一般來說，訊雜比(signal to noise ratio，SNR)為度量轉換後之電子輸出訊號之品質的指標。訊雜比越高代表訊號品質越佳。
為提升電子影像裝置的靈敏度，先前之技術是採用時間延遲積分式(time delay integration，TDI)電荷耦合器(charge coupled device，CCD)，來提升訊雜比，及提升靈敏度。一般來說，一N個分階時間延遲積分式感測器包含N個光電感測單元，用來根據一時間延遲累積時序機制，產生一最終之影像訊號輸出。N個分階時間延遲積分式感測器之影像訊號輸出為個別光電感測單元輸出訊號之總合(N倍)。另外，當最終影像訊號輸出增加為N倍時，其雜訊成分僅增加倍，換言之，時間延遲積分式電荷耦合器可提升訊雜比倍。
如欲將時間延遲累積機制應用至一金屬氧化物半導體電子影像裝置時，其基礎組成單元須做大幅度調整。也就是說，一金屬氧化物半導體光電感測單元(例如光電二極體、光電電晶體)之結構與一電荷耦合器基礎單元大不相同。為了實現時間延遲積分式金屬氧化物半導體，對應的系統架構及訊號處理方式亦須同步調整，也就是本發明的主要目的。
本發明提供一種時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，包含有：
(a)一多元件光電像素感測器，包含有複數個子光電感測單元(SPSE1
、SPSE2
、...、SPSEj
、...、SPSEM
，M>1)。該複數個子光電感測單元之位置相鄰，但彼此間被隔絕，分別用來累積一像素光線於空間中之光影像訊號，以轉換為對應之子像素光電訊號(SPPES1
、SPPES2
、...、SPPESj
、...、SPPESM
，M>1)，其中該像素光線照射於該多元件光電像素感測器。
(b)複數個中繼光電訊號累加器(PESA1
、PESA2
、...、PESAk
、...、PESAM
)。該每一中繼光電訊號累加器PESAk
可透過該金屬氧化物半導體切換電晶體，耦接於該任一子光電感測單元SPSEj
，用來接收對應之該子像素光電訊號SPPESj
，及產生一累加中繼光電訊號ACPESk
。更具體的說，該金屬氧化物半導體切換電晶體可為一互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)電晶體。
(c)一讀取電路。透過切換操作耦接於該任一中繼光電訊號累加器PESAk
，用來移除及讀取對應之該累加中繼光電訊號ACPESk
。
(d)一時間延遲累積序列式控制器。耦接於該複數個子光電感測單元SPSE1
、...、SPSEM
、該複數個中繼光電訊號累加器PESA1
、...、PESAM
及該讀取電路，用來影響一預設之循環時間序列。如此一來，該時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路可透過該讀取電路，產生最終之複數個時序訊號，進而增加訊雜比，該每一時序訊號係等於該子像素光電訊號SPPES1
、...、SPPESM
之時間延遲之總合。
在一實施例中，該複數個子光電感測單元SPSE1
、...、SPSEM
及該複數個中繼光電訊號累加器PESA1
、...、PESAM
間之耦合之該循環時間序列之一次循環係：(SPSE1
-PESA1
,SPSE2
-PESA2
,..,SPSEM
-PESAM
)；(SPSE1
-PESA2
,SPSE2
-PESA3
,..,SPSEM
-PESA1
)；....；以及(SPSE1
-PESAM
,SPSE2
-PESA1
,..,SPSEM
-PESAM-1
)。
在一實施例中，該複數個中繼光電訊號累加器PESA1
、...、PESAM
及該讀取電路間之耦合之該循環時間序列之一次循環係：(PESA1
-ROC)；(PESA2
-ROC)；....；以及(PESAM
-ROC)。
在一實施例中，該每一子光電感測單元SPSEj
係一光電二極體或一光電電晶體。
在一實施例中，該每一中繼光電訊號累加器PESAk
包含有一可重設之電容性轉阻放大器及一充電電容，用來透過時間累積，可重設地轉換該子像素光電訊號SPPESj
為該累加中繼光電訊號ACPESk
，其中該充電電容之容量於該複數個子像素光電訊號SPPES1
、...、SPPESM
之時間延遲之總合所造成之一延長時間，須足以減輕通過該電容性轉阻放大器之一充電訊號於像素間因漏電流不同所造成之影像衰減效應。除此之外，該每一中繼光電訊號累加器PESAk
另包含有一單位增益放大器，用來緩衝該電容性轉阻放大器對該子像素感測器單元SPSEj
之影響，以轉換該子像素光電訊號SPPESj
為一對應之光電電壓，進而避免影像衰減效應。
在一較詳細實施例中，該每一讀取電路另包含有串連之一像素關聯雙取樣電路及一類比數位轉換器，用來取得所需之該累加中繼光電訊號ACPESk
，及將該累加中繼光電訊號ACPESk
數位化為一視訊輸出資料。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例，四個分階之時間延遲積分式(time delay integration，TDI)金屬氧化物半導體(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)光電像素感測電路1之示意圖。按光電訊號產生及進行的順序，光電像素感測電路1包含有一子像素感測單元區3、一光電訊號累加區5及一讀取電路區7。子像素感測單元區3包含有多元件光電像素感測器MEPS1
、MEPS2
、MEPS3
。多元件光電像素感測器MEPS1
包含有子光電感測單元SPSE11
、SPSE12
、SPSE13
、SPSE14
。子光電感測單元SPSE11
、SPSE12
、SPSE13
、SPSE14
之位置相鄰，但彼此間被隔絕。相似地，多元件光電像素感測器MEPS2
包含有相鄰又彼此獨立的子光電感測單元SPSE21
、SPSE22
、SPSE23
、SPSE24
。在本實施例中，每一子光電感測單元為一光電二極體，但不限於此，例如亦可為一光電電晶體。子光電感測單元SPSE11
、SPSE12
、SPSE13
、SPSE14
分別累積一像素光線hv於空間中之光影像訊號，以轉換為對應之子像素光電訊號SPPES1
、SPPES2
、SPPES3
、SPPES4
，其中像素光線hv照射於多元件光電像素感測器MEPS1
。
光電訊號累加區5中之中繼光電訊號累加器PESA11
、PESA12
、PESA13
、PESA14
可提供多元件光電像素感測器MEPS1
處理光電訊號時，所需之訊號。在此實施例中，每一中繼光電訊號累加器包含一可重設之電容性轉阻放大器及一充電電容，用來透過時間累積，可重設地轉換對應之一子像素光電訊號SPPESj
為一累加中繼光電訊號ACPES。在第1圖中，任一中繼光電訊號累加器可透過切換一開關矩陣，連接並接收一對應之子像素光電訊號，進而產生累加中繼光電訊號ACPES。舉例來說，中繼光電訊號累加器PESA22
可透過切換操作，連接至子像素光電訊號SPPES24
，以產生一累加中繼光電訊號ACPES22
。較佳地，組成開關矩陣之開關可為金屬氧化物半導體開關電晶體，更具體的說，為互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)電晶體。
讀取電路區7包含一讀取電路9，可透過切換開關矩陣，耦接至任一中繼光電訊號累加器PESAk
，用來移除及讀取一對應之累加中繼光電訊號ACPESk
。舉例來說，可在讀取後，透過重新設定電容性轉阻放大器，移除累加中繼光電訊號ACPESk
。針對多元件光電像素感測器MEPS1
、MEPS2
、MEPS3
，讀取電路9可分別產生對應之時序光電時間訊號SQTS1
、SQTS2
、SQTS3
。
在第1圖中，光電像素感測電路1包含有一時間延遲累積序列控制器11，透過開關矩陣，耦接於子光電感測單元SPSE、中繼光電訊號累加器PESA及讀取電路9，用來影響一預設之循環時間序列。如此一來，透過讀取電路9，光電像素感測電路1可產生多元件光電像素感測器MEPS1
所需之時序光電時間訊號SQTS1
，其值等於子像素光電訊號SPPES11
、SPPES12
、SPPES13
、SPPES14
的總合。相似地，光電像素感測電路1可分別針對多元件光電像素感測器MEPS2
、MEPS3
，分別產生時序光電時間訊號SQTS2
、SQTS3
，其中光電時間訊號SQTS2
之值等於子像素光電訊號SPPES21
、SPPES22
、SPPES23
、SPPES24
的總合，而光電時間訊號SQTS3
之值等於子像素光電訊號SPPES31
、SPPES32
、SPPES33
、SPPES34
的總合。
請繼續參考第2A圖至第2H圖，第2A圖至第2H圖分別為時間延遲累積序列控制器11之耦合狀態之一循環時間序列之第一幀至第八幀之示意圖。在第2A圖至第2H圖中，為方便說明：子光電感測單元SPSE11
之子像素光電訊號SPPES11
標示為「#1」；子光電感測單元SPSE12
之子像素光電訊號SPPES12
標示為「#2」；子光電感測單元SPSE13
之子像素光電訊號SPPES13
標示為「#3」；子光電感測單元SPSE14
之子像素光電訊號SPPES14
標示為「#4」。子光電感測單元SPSE與中繼光電訊號累加器PESA間之訊號耦合由指向下方的箭頭表示。
舉例來說，在第2A圖之第一幀中，子光電感測單元SPSE14
耦合至中繼光電訊號累加器PESA14
；在第2C圖之第三幀中，子光電感測單元SPSE12
耦合至中繼光電訊號累加器PESA14
。另外，讀取電路9與中繼光電訊號累加器PESA間之訊號耦合亦由向下指的箭頭表示。舉例來說，在第2B圖之第二幀中，中繼光電訊號累加器PESA12
耦合至讀取電路9，並由讀取電路9讀取；在第2G圖之第七幀中，中繼光電訊號累加器PESA13
耦合至讀取電路9，並由讀取電路9讀取。追蹤時間延遲累積序列控制器11從第一幀至第八幀之操作，時序光電時間訊號SQTS1
之時序可表示為：
由上可知，除了初始狀態外，時序光電時間訊號SQTS1
之時序呈現一穩定狀態，等於子像素光電訊號SPPES11
、SPPES12
、SPPES13
、SPPES14
之時間延遲總合。相似地，時序光電時間訊號SQTS2
之時序達到穩態後，等於子像素光電訊號SPPES21
、SPPES22
、SPPES23
、SPPES24
之時間延遲總合。
以此類推，本發明可應用在N個分階之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路中，其中N為任何大於1的整數。另外，多元件光電像素感測器MEPS的數量可為任意正整數，並在空間安排上，可較佳地以線性的二維矩陣實現，但不限於此。
請繼續參考第3圖，第3圖為四個分階之光電像素感測電路1中，子光電感測單元SPSE與讀取電路9間之訊號路徑之示意圖。如第3圖所示，每一中繼光電訊號累加器PESA包含一重設之電容性轉阻放大器及一充電電容Cf。舉例來說，子光電感測單元SPSE11
及一電容性轉阻放大器CTIA1
間透過一轉傳控制開關TR1及一轉傳選擇開關TR_SEL1串接；電容性轉阻放大器CTIA1
及讀取電路9間透過一讀取選擇開關RD_SEL1串接。如欲重設電容性轉阻放大器CTIA1
，可關閉一重設開關RESET1，以重置一累加中繼光電訊號ACPES11
。讀取電路9包含串接之像素關聯雙取樣電路及一類比數位轉換器(未繪於第3圖中)，用來取得所需之累加中繼光電訊號ACPES，並數位化為一視訊輸出資料。相關之細節可參考美國專利申請案US12/171,351之第1圖及第4圖。須注意的是，子像素光電訊號SPPES11
、SPPES12
、SPPES13
、SPPES14
之時間延遲之總合所造成之一延長時間。因此，儘管大電容之Cf會浪費電路面積及降低累加中繼光電訊號ACPES之準位，在設計電路時，仍須選擇夠大的充電電容Cf，以在延長時間，減輕通過電容性轉阻放大器CTIA之一充電訊號因漏電流所造成之影像衰減效應。
如欲避免使用大面積之充電電容Cf，每一中繼光電訊號累加器PESA另可包含一可重設之單位增益放大器UGA，如第4圖所示。單位增益放大器UGA用來緩衝電容性轉阻放大器對子像素感測器單元SPSE之影響，以轉換子像素光電訊號SPPES為一對應之光電電壓，進而避免影像衰減效應。舉例來說，在第4圖中，一單位增益放大器UGA1
緩衝電容性轉阻放大器CTIA1
對子像素感測器單元SPSE11
之影響。另外，串接之一讀取開關RD1及一關聯雙取樣電路CDS1設置於單位增益放大器UGA1
及電容性轉阻放大器CTIA1
間，用來移除每當重置時，單位增益放大器UGA1
所產生之一重置kTC雜訊失真。相關細節可參考美國專利申請案US11/869,732(公開號2009-0091648)之第9圖及第11圖。
比較第1圖及美國專利申請案US11/869,732之第2圖，本發明可透過重新安排元件，提升效能。具體來說，若子光電感測單元SPSE11
、SPSE12
、SPSE13
、SPSE14
線性地沿一子像素感測器線設置，可將：
(a)編號為奇數的中繼光電訊號累加器PESA11
、PESA13
及對應之部分讀取電路9設置於子像素感測器線之一第一側；
(b)編號為偶數的中繼光電訊號累加器PESA12
、PESA14
及對應之部分讀取電路9設置於子像素感測器線之一第二側。
如此一來，當子光電感測單元之線性空間解析度受限於相關之訊號累加及讀取電路時，由於相關訊號累加及讀取電路之線性集成密度降低，線性空間解析度可獲得提升。
綜上所述，本發明提供一種時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，可以高訊雜比來實現光電影像感測。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1．．．光電像素感測電路
3．．．子像素感測單元區
5．．．光電訊號累加區
7．．．讀取電路區
9．．．讀取電路
11．．．時間延遲累積序列控制器
#1、#2、#3、#4．．．子像素光電訊號
MEPS1
、MEPS2
、MEPS3
．．．多元件光電像素感測器
SPSE11
、SPSE12
、SPSE13
、SPSE14
、SPSE21
、SPSE22
、SPSE24
、SPSE31
、SPSE32
、SPSE34
．．．子光電感測單元
SPPES11
、SPPES12
、SPPES14
、SPPES21
、SPPES22
、SPPES24
、SPPES31
、SPPES32
、SPPES34
．．．子像素光電訊號
PESA11
、PESA12
、PESA13
、PESA14
、PESA21
、PESA22
、PESA24
、PESA31
、PESA32
、PESA34
．．．中繼光電訊號累加器
ACPES11
、ACPES12
、ACPES14
、ACPES21
、ACPES22
、ACPES24
、ACPES31
、ACPES32
、ACPES34
．．．累加中繼光電訊號
Vr、Vb．．．參考電壓
SQTS1
、SQTS2
、SQTS3
．．．時序光電時間訊號
TR1、TR2．．．轉傳控制開關
TR_SEL1、TR_SEL2．．．轉傳選擇開關
RD_SEL1、RD_SEL2．．．讀取選擇開關
CTIA1
、CTIA2
．．．電容性轉阻放大器
UGA1
、UGA2
．．．單位增益放大器
RST1
、RST2
．．．開關
CDS1、CDS2．．．關聯雙取樣電路
RESET1、RESET2．．．重設開關
Cf．．．充電電容
hv．．．像素光線
第1圖為本發明實施例，四個分階之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路之示意圖。
第2A圖至第2H圖為第1圖之光電像素感測電路之主要元件間耦合狀態之一循環時間序列之示意圖。
第3圖為第1圖之光電像素感測電路之一較詳細實施例之一訊號路徑之示意圖。
第4圖為第1圖之光電像素感測電路之另一較詳細實施例之一訊號路徑之示意圖。
1．．．光電像素感測電路
3．．．子像素感測單元區
5．．．光電訊號累加區
7．．．讀取電路區
9．．．讀取電路
11．．．時間延遲累積序列控制器
MEPS1
、MEPS2
、MEPS3
．．．多元件光電像素感測器
SPSE11
、SPSE12
、SPSE14
、SPSE21
、SPSE22
、SPSE24
、SPSE31
、SPSE32
、SPSE34
．．．子光電感測單元
SPPES11
、SPPES12
、SPPES14
、SPPES21
、SPPES22
、SPPES24
、SPPES31
、SPPES32
、SPPES34
．．．子像素光電訊號
PESA11
、PESA12
、PESA14
、PESA21
、PESA22
、PESA24
、PESA31
、PESA32
、PESA34
．．．中繼光電訊號累加器
ACPES11
、ACPES12
、ACPES14
、ACPES21
、ACPES22
、ACPES24
、ACPES31
、ACPES32
、ACPES34
．．．累加中繼光電訊號
Vr．．．參考電壓
SQTS1
、SQTS2
、SQTS3
．．．時序光電時間訊號
hv．．．像素光線
Claims (12)
- 一種時間延遲積分式金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor，MOS)光電像素感測電路，包含有：(a)一多元件光電像素感測器，包含有複數個子光電感測單元(SPSE1 、SPSE2 、...、SPSEj 、...、SPSEM ，M>1)，該複數個子光電感測單元之位置相鄰，但彼此間被隔絕，分別用來累積一像素光線於空間中之光影像訊號，以轉換為對應之子像素光電訊號(SPPES1 、SPPES2 、...、SPPESj 、...、SPPESM ，M>1)，其中該像素光線照射於該多元件光電像素感測器；(b)複數個中繼光電訊號累加器(PESA1 、PESA2 、...、PESAk 、...、PESAM )，該每一中繼光電訊號累加器PESAk 可透過切換操作，耦接於該任一子光電感測單元SPSEj ，用來接收對應之該子像素光電訊號SPPESj ，及產生一累加中繼光電訊號ACPESk ；(c)一讀取電路，透過切換操作耦接於該任一中繼光電訊號累加器PESAk ，用來移除及讀取對應之該累加中繼光電訊號ACPESk ；以及(d)一時間延遲累積序列式控制器，耦接於該複數個子光電感測單元SPSE1 、...、SPSEM 、該複數個中繼光電訊號累加器PESA1 、...、PESAM 及該讀取電路，用來產生一預設之循環時間序列；其中透過該讀取電路，可產生最終之複數個時序訊號，進而提升訊雜比，該每一時序訊號係等於該子像素光電訊號SPPES1 、...、SPPESM 之時間延遲之總合。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該複數個子光電感測單元SPSE1 、...、SPSEM 及該複數個中繼光電訊號累加器PESA1 、...、PESAM 間之耦合之該循環時間序列之一次循環係：(SPSE1 -PESA1 ,SPSE2 -PESA2 ,..,SPSEM -PESAM )；(SPSE1 -PESA2 ,SPSE2 -PESA3 ,..,SPSEM -PESA1 )；....；以及(SPSE1 -PESAM ,SPSE2 -PESA1 ,..,SPSEM -PESAM-1 )。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該複數個中繼光電訊號累加器PESA1 、...、PESAM 及該讀取電路間之耦合之該循環時間序列之一次循環係：(PESA1 -ROC)；(PESA2 -ROC)；....；以及(PESAM -ROC)。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該每一子光電感測單元SPSEj 係一光電二極體或一光電電晶體。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該每一中繼光電訊號累加器PESAk 包含有一可重設之電容性轉阻放大器及一充電電容，用來透過時間累積，可重設地轉換該子像素光電訊號SPPESj 為該累加中繼光電訊號ACPESk ，其中該充電電容之容量於該複數個子像素光電訊號SPPES1 、...、SPPESM 之時間延遲之總合所造成之一延長時間，須足以減輕通過該電容性轉阻放大器之一充電訊號於像素間因漏電流不同所造成之影像衰減效應。
- 如請求項5所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該每一中繼光電訊號累加器PESAk 另包含有一單位增益放大器，用來緩衝該電容性轉阻放大器對該子像素感測器單元SPSEj 之影響，以轉換該子像素光電訊號SPPESj 為一對應之光電電壓，進而避免影像衰減效應。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該每一讀取電路另包含有串連之一像素關聯雙取樣電路及一類比數位轉換器，用來取得所需之該累加中繼光電訊號ACPESk ，及將該累加中繼光電訊號ACPESk 數位化為一視訊輸出資料。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該複數個子像素感測器單元SPSE1 、...、SPSEM 係沿一子像素感測線設置，而：(a)編號為奇數之光電訊號累加器PESA1 、PESA3 、PESA5 、...及部分該讀取電路係沿該子像素感測器線之一第一側設置；以及(b)編號為偶數之光電訊號累加器PESA2 、PESA4 、PESA6 、...及部分該讀取電路係沿該子像素感測器線之一第二側設置；其中當該子像素感測單元SPSE1 、...、SPSEM 之一線性空間解析度受限於其訊號累加及讀取電路時，增加該線性空間解析度。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其另包含有一金屬氧化物半導體(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體矩陣，用來透過切換操作，耦接該任一光電訊號累加器PESAk 至該任一子像素感測器單元SPSEj 。
- 如請求項9所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該金屬氧化物半導體電晶體矩陣另包含有一互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)電晶體矩陣。
- 如請求項1所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其另包含有複數個金屬氧化物半導體電晶體，用來透過切換操作，耦接該讀取電路至該任一光電訊號累加器PESAk 。
- 如請求項11所述之時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路，其中該複數個金屬氧化物半導體電晶體另包含有複數個互補金屬氧化物半導體電晶體。
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| TW98137684A TWI400945B (zh) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | 時間延遲積分式金屬氧化物半導體光電像素感測電路 |
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