TWI602435B - 影像感測器以及影像感測方法 - Google Patents

Description

影像感測器以及影像感測方法

本揭露是有關於一種感測技術，且特別是有關於一種影像感測器以及影像感測方法。

隨著影像感測技術的發展，影像感測器於感測影像時，如何使感測的影像畫面可例如具有「高動態範圍」和「高感光度」的特性，在影像感測技術中一直是無法同時解決的問題。特別是，例如金屬加工的工業檢測取像或是背光取像等，這些影像感測情境會遇到明暗反差極大的影像畫面，導致影像畫面中最高照度與最低照度差距很大。因此，若要保證影像感測器的每個像素單元的輸出電壓不飽和，則要把像素單元對光的感光度調低，以使最高照度的像素單元的輸出電壓不會飽和。但是，這種取得明暗反差極大的方式將會失去畫面中較暗部分的細節，也就是較暗部分的光強度訊號解析度變差。

對此，傳統的解決方法是在取像時多取幾張不同參數的 參考影像畫面，再藉由影像處理分析、整合這兩張或兩張以上的參考影像畫面，以得到可兼顧例如是高動態範圍和高感光度特性的特定影像畫面。然而，傳統的影像感測方法對於快速移動的影像情境將不適用。因此，如何設計可取得例如具有高動態範圍和高感光度的特定影像畫面，並且可適用於快速移動的影像情境的影像感測器，是目前重要的課題。

本揭露提供一種影像感測器以及影像感測方法，可藉由多個像素類型的多個像素單元來同時取得具有不同影像品質的多個參考影像畫面，並且可適用於快速移動的影像情境的影像感測器。

本揭露的一種影像感測器包括多個像素單元以及多個像素感測電路。所述多個像素單元排列為像素陣列。所述多個像素單元用以感測影像，以取得多個參考影像畫面，並且所述多個像素單元具有多個像素類型。所述多個像素感測電路分別電性連接至所述多個像素單元。所述多個像素感測電路用以分別接收所述多個像素單元各別產生的光電流。所述多個像素單元分別依據所述多個像素類型具有不同的多個特性曲線。所述多個像素單元各別的電極結構參數以及電極偏壓的至少其中之一依據對應的特性曲線來決定。

本揭露的一種影像感測方法適用於影像感測器。影像感 測器包括多個像素單元以及多個像素感測電路，並且所述多個像素單元具有多個像素類型。所述多個像素單元用以感測影像。所述多個像素單元分別依據所述多個像素類型具有不同的特性曲線。影像感測方法包括以下步驟。藉由所述多個像素單元依據所述多個像素類型來分別取得多個參考影像畫面。依據所述多個像素單元各別的特性曲線來分析所述多個參考影像畫面，以藉由所述多個參考影像畫面組合特定影像畫面。

基於上述，本揭露的影像感測器以及影像感測方法利用具有多個像素類型的多個像素單元來感測影像，以使取得多個參考影像畫面，其中這些參考影像畫面分別具有不同影像品質。因此，本揭露的影像感測器以及影像感測方法可藉由分析這些參考影像畫面來組合或合成特定影像畫面，並且本揭露的影像感測器以及影像感測方法可適用於快速移動的影像情境。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200、500、600‧‧‧影像感測器

110、211、212、511、512、611、612‧‧‧像素單元

120、420、920‧‧‧像素感測電路

211R、212R‧‧‧像素群組

301、302、1010、1020、1030‧‧‧特性曲線

410、910‧‧‧基板

431、432、511_1、511_2、512_1、512_2、611_1、611_2、612_1、612_2、711、712、811、812、931、932‧‧‧電極

440、940‧‧‧光電轉換層

511A、512A、611A、612A‧‧‧像素類型

I1、I2、I3‧‧‧照度門檻

L1、L2‧‧‧電極間距

SV‧‧‧飽和電壓

S1101、S1102‧‧‧步驟

W1、W1’、W2、W2’‧‧‧電極寬度

圖1繪示本揭露一實施例的影像感測器的方塊示意圖。

圖2繪示本揭露另一實施例的影像感測器的示意圖。

圖3繪示本揭露一實施例的像素單元的特性曲線的示意圖。

圖4繪示本揭露一實施例的水平結構的像素單元的示意圖。

圖5繪示本揭露一實施例的不同像素類型的影像感測器的示意圖。

圖6繪示本揭露另一實施例的不同像素類型的影像感測器的示意圖。

圖7繪示本揭露一實施例的封閉圖形的電極結構的示意圖。

圖8繪示本揭露另一實施例的封閉圖形的電極結構的示意圖。

圖9繪示本揭露一實施例的垂直結構的像素單元的示意圖。

圖10繪示本揭露另一實施例的像素單元的特性曲線的示意圖。

圖11繪示本揭露一實施例的影像感測方法的步驟流程圖。

圖1繪示本揭露一實施例的影像感測器的方塊示意圖。請參照圖1，影像感測器100包括多個像素單元110以及多個像素感測電路120，其中這些像素感測電路120分別電性連接至對應的像素單元110。在本實施例中，這些像素單元110排列為一個像素陣列，並且用以感測影像，並且取得多個參考影像畫面。這些像素感測電路120用以分別接收這些像素單元110各別產生的光電流。在本實施例中，這些像素單元110可分別依據像素類型而具有不同的特性曲線。也就是說，本實施例的這些像素單元110各別的電極結構參數以及電極偏壓的至少其中之一可依據對應的特 性曲線來決定，其中電極結構參數可包括電極間距參數以及電極寬度比。

具體來說，本實施例的像素單元110可具有多個像素類型，以使影像感測器100可分別藉由相同像素類型的像素單元110取得一個參考影像畫面。也就是說，本實施例的影像感測器100可依據像素類型的種類數量來決定取得的參考影像畫面的數量，以使影像感測器100可於一次取像時，同時取得多個參考影像畫面。此外，本實施例的影像感測器100可例如是採用全局快門(Global Shutter)或捲簾快門(Rolling Shutter)的方式來進行取像，本揭露並不加以限制。另外，像素感測電路120的電路特徵可依據所屬領域的通常知識可獲得足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

圖2繪示本揭露另一實施例的影像感測器的示意圖。圖3繪示本揭露一實施例的像素單元的特性曲線的示意圖。請同時參照圖2、圖3，本實施例的影像感測器200可包括兩種像素類型的多個像素單元211、212。在本實施例中，這些像素單元211、212可依據像素類型來交錯排列，以形成一個像素陣列。因此，當影像感測器200對影像進行感測時，這些像素單元211形成的像素群組211R可取得一個參考影像畫面，並且這些像素單元212形成的像素群組212R可取得另一個參考影像畫面。另外，在一實施例中，這些像素單元211、212也可以採分區排列的配置方式來形成一個像素陣列，本揭露並不限於此。

在本實施例中，圖3的特性曲線301、302為輸出電壓/照度(Output voltage/Illuminance)的特性曲線。舉例來說，像素單元211可具有如圖3所示的特性曲線301的特性，並且像素單元212可具有如圖3所示的特性曲線302的特性。因此，像素群組211R所感測到的參考影像畫面可例如是具有高感光度(Sensitivity)的特性，而像素群組212R所感測到的參考影像畫面可以是具有高動態範圍(Dynamic Range)的特性。也就是說，當影像感測器200針對一個影像進行感測時，影像感測器200於執行一次取像操作即可取得兼顧動態範圍以及感光度的兩個參考影像畫面。並且，影像感測器200可依據像素單元211、212各別的特性曲線分析這些參考影像畫面，以藉由這些參考影像畫面來進一步組合一個特定影像畫面。

具體來說，在本實施例中，影像感測器200可例如針對參考影像畫面中，照度強度小於第一照度門檻I1的像素部分取像素單元211的感測結果，而照度強度大於第一照度門檻I1的像素部分取像素單元212的感測結果，以使影像感測器200可組合這些像素單元211以及這些像素單元212分別取得的兩個參考影像畫面來獲得一個可例如是同時具有高動態範圍以及高感光度優點的特定影像畫面。然而，在一實施例中，影像感測器200也可例如針對參考影像畫面中，照度強度介於0至第二照度門檻I2的像素部分取像素單元211的感測結果，而照度強度介於第一照度門檻I1至第二照度門檻I2之間的像素部分取像素單元212的感測結 果。第一照度門檻I1以及第二照度門檻I2對應於相同的飽和電壓SV。並且，影像感測器200依據上述條件所重複取得的參考影像畫面的部份也可例如是藉由所屬技術領域的相關影像處理的演算法進行演算或合成，本揭露並不加以限制。

值得注意的是，圖3的特性曲線301、302僅為範例說明，本揭露並不限於此。本實施例的影像感測器200可預先設計所欲具有特定的特性曲線，再藉由調整像素單元211、212各別的電極結構參數以及電極偏壓的至少其中之一來實現其特定的特性曲線。也就是說，本實施例的影像感測器200的像素單元211、212各別的電極結構參數以及電極偏壓的至少其中之一可依據對應的特性曲線來決定。並且，以下實施例將針對像素單元的結構特徵進一步說明。

圖4繪示本揭露一實施例的水平結構的像素單元的示意圖。請參照圖4，本揭露的像素單元可例如是水平結構。在本實施例中，像素單元可包括第一電極431、第二電極432以及光電轉換層440，並且配置在像素感測電路420以及基板410上，其中第一電極431以及第二電極432為共平面。在本實施例中，第一電極431以及第二電極432電性連接至像素感測電路420，像素感測電路420提供的電極偏壓跨於第一電極431以及第二電極432間。並且，像素感測電路420可用以接收像素單元的光電轉換層440於感測影像畫面時所產生的光電流。

另外，光電轉換層440可例如是量子點(quantum dot) 材料、鈣鈦礦型結構甲基銨碘化鉛(methyl ammonium lead iodide perovskite)材料或鈣鈦礦型結構甲基銨氯碘化鉛(methyl ammonium lead iodide chloride perovskite)材料等，諸如此類的有機光電轉換層(organic opto-electronic layer)。有機光電轉換層可包括有機主動層、(active layer)，或是可進一步包括至少一電洞阻擋層(hole blocking layer)或電子阻擋層(electron blocking layer)，其中有機主動層可含有電子予體(electron donor)與電子受體(electron acceptor)兩類材料，並且其結構可以是雙層(bilayer)異質接面結構，或是塊材異質接面(bulk heterojunction)結構，本揭露也不加以限制。

在本實施例中，光電轉換層440可依據不同電極偏壓對光子激發產生的電子以及電洞可以有效轉成光電流的效率有不同的轉換效率，以對應產生不同的光電流。光電轉換層440產生的光電流分別被像素感測電路420當中的電容收集儲存，再轉換成輸出電壓。也就是說，由於不同電極偏壓會導致第一電極431以及第二電極432接收光電流的效率不同。因此，本實施例的影像感測器可藉由設計不同電極偏壓的多個像素類型，以使影像感測器於一次取像時，即可同時獲得多個不同影像品質的參考影像畫面。

舉例來說，像素感測電路420所施加在第一電極431以及第二電極432的電極偏壓可例如是依據如上述圖3所設計的特性曲線來決定。換句話說，像素單元可以藉由調整第一電極431、 第二電極432的電極偏壓大小來獲得其特性曲線，以使影像感測器可具有兩種或兩種以上不同的像素類型的多個像素單元。然而，改變像素單元的特性曲線的手段並不限於此，以下圖5、圖6實施例將提出電極間距參數以及電極寬度比的範例實施例。

圖5繪示本揭露一實施例的不同像素類型的影像感測器的示意圖。請參照圖5，影像感測器500可包括兩種不同像素類型的像素單元511、512。在本實施例中，像素單元511、512可為半開放式圖形的梳狀電極，其中像素單元511可例如是像素類型511A，而像素單元512可例如是像素類型512A。在像素類型511A中，第一電極511_1與第二電極511_2之間可具有電極間距L1。在像素類型512A中，第一電極512_1與第二電極512_2之間可具有電極間距L2。

在本實施例中，若電極間距越大，則特性曲線的斜率越小。反之，若電極間距越小，則特性曲線的斜率越大。也就是說，由於不同電極間距參數會導致第一電極以及第二電極接收光電流的效率不同。因此，影像感測器500可藉由改變像素單元511、512的電極間距參數來調整其影像感測特性，以使可實現如圖3所示的特性曲線。

圖6繪示本揭露另一實施例的不同像素類型的影像感測器的示意圖。請參照圖6，影像感測器600可包括兩種不同像素類型的像素單元611、612。在本實施例中，像素單元611、612可為半開放式的梳狀電極，其中像素單元611可例如是像素類型 611A，而像素單元612可例如是像素類型612A。在像素類型611A中，第一電極611_1具有電極寬度W1，並且第二電極611_2具有電極寬度W2。在像素類型612A中，第一電極612_1具有電極寬度W1’，並且第二電極612_2具有電極寬度W2’。因此，像素類型611A、612A可分別具有電極寬度比W1/W2以及W1’/W2’。

在本實施例中，若電極寬度比越大，則特性曲線的斜率越小。反之，若電極寬度比越小，則特性曲線的斜率越大。也就是說，由於不同電極寬度比會導致第一電極以及第二電極接收光電流的效率不同。因此，影像感測器600可藉由設計像素單元611、612的電極寬度比來調整其影像感測特性，以使可實現如圖3所示的特性曲線。

值得注意的是，本揭露的像素單元不限於上述圖4~圖6所示的電極偏壓或電極結構設計，本揭露的像素單元也可藉由同時調整電極結構參數以及電極偏壓的方式，以使具有特定的影像感測特性。也就是說，本實施例的影像感測器可藉由設計像素單元的電極偏壓、電極間距參數以及電極寬度比的三個條件的至少其中之一，以使影像感測器可具有兩種或兩種以上像素類型的像素單元，並且分別用以感測不同的影像品質的參考影像畫面。

此外，本揭露的像素單元的電極結構以及電極數量也不限於圖5、圖6所示的半開放式的梳狀電極。舉例來說，圖7繪示本揭露一實施例的封閉圖形的電極結構的示意圖。請參照圖7，像素單元700可具有封閉的回字形的第一電極711以及第二電極 712。並且，本實施例的像素單元700可例如是具有一個第一電極711以及兩個第二電極712。再舉例來說，圖8繪示本揭露另一實施例的封閉圖形的電極結構的示意圖。請參照圖8，像素單元800可具有封閉的六角形的第一電極811以及第二電極812。並且，圖7、圖8所示的封閉圖形的第一電極以及第二電極同樣可參照上述設計電極偏壓、電極間距參數以及電極寬度比的方式，使影像感測器可具有兩種或兩種以上像素類型的像素單元。因此，對於封閉圖形的電極結構的相關實施方式亦可由上述各實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

圖9繪示本揭露一實施例的垂直結構的像素單元的示意圖。請參照圖9，本揭露的像素單元也可例如是垂直結構。在本實施例中，像素單元可包括第一電極931、第二電極932、像素感測電路920以及光電轉換層940，並且配置在基板910上，其中第二電極932、光電轉換層940、第一電極931以及像素感測電路920依序堆疊。在本實施例中，第一電極931以及第二電極932電性連接至像素感測電路920。像素感測電路920用以接收像素感測電路提供的電極偏壓。並且，像素感測電路920可用以接收像素單元的光電轉換層940於感測影像畫面時所產生的光電流。

在本實施例中，垂直結構的像素單元也可透過上述各實施例所述調整電極結構參數以及電極偏壓的方式，以使取得特定的特性曲線。然而，對於垂直結構的像素單元來說，電極結構參數可更包括光電轉換層的厚度變化。也就是說，在一實施例中， 若光電轉換層為有機光電轉換層，更包括電洞阻擋層或電子阻擋層，則垂直結構的像素單元可透過調整有機光電轉換層、電洞阻擋層以及電子阻擋層的至少其中之一的厚度變化來取得特定的特性曲線。因此，對於垂直結構的像素單元的相關實施方式亦可由上述各實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

圖10繪示本揭露另一實施例的像素單元的特性曲線的示意圖。請參照圖10，在本實施例中，影像感測器也可例如設計有三種像素類型的多個像素單元，其中不同像素類型可依據上述所述的電極偏壓、電極間距參數以及電極寬度比的方式設計之。因此，影像感測器的不同類型的像素單元所對應的特性曲線也可如圖10所示。在本實施例中，圖10的特性曲線1010、1020、1030為輸出電壓/照度(Output voltage/Illuminance)的特性曲線。也就是說，當影像感測器執行一次取像操作時，可取得三種不同影像品質的三個參考影像畫面，其中三個參考影像畫面可分別對應於不同特性曲線1010、1020、1030。並且，影像感測器可分析三個參考影像畫面，以針對畫面中不同照度的部分依據特性曲線1010、1020、1030選擇由三個參考影像畫面的其中之一來呈現。

舉例來說，影像感測器可分析三個參考影像畫面當中每一畫素的照度。影像感測器可針對照度介於0到第一照度門檻I1之間可取具有特性曲線1010的像素單元的影像感測結果。影像感測器可針對照度介於第一照度門檻I1到第二照度門檻I2之間可取 具有特性曲線1020的像素單元的影像感測結果。影像感測器可針對照度介於第二照度門檻I2到第三照度門檻I3之間可取具有特性曲線1030的像素單元的影像感測結果。第一照度門檻I1、第二照度門檻I2以及第三照度門檻I3對應於相同的飽和電壓SV。因此，本實施例的影像感測器可組合這三個參考影像畫面，以獲得例如是具有高動態範圍和高感光度等特性的特定的影像畫面。

圖11繪示本揭露一實施例的影像感測方法的步驟流程圖。參照圖1、圖11，本實施例的方法可至少適用於圖1的影像感測器100。影像感測器100包括多個像素單元110以及多個像素感測電路120。在步驟S1101中，影像感測器100藉由多個像素單元110依據多個像素類型來分別取得多個參考影像畫面。在步驟S1102中，影像感測器100可依據這些像素單元110各別的特性曲線來分析取得的多個參考影像畫面，以藉由這些參考影像畫面組合特定影像畫面。也就是說，本實施例的影像感測方法可藉由影像感測器的兩種或兩種以上的像素類型的多個像素單元於執行一次取像操作時，同時取得兩個或兩個不同影像品質的參考影像畫面。並且，影像感測器100可依據不同像素類型的特性曲線索對應分析的多個參考影像畫面中每個畫素的照度，以例如是組合可同時具有高動態範圍和高感光度特性的特定影像畫面。本實施例的影像感測方法所應用的影像感測器100可例如進一步包括例如處理器或者單一個或多個積體電路晶片來執行上述方法的影像組合(例如步驟S1102)的相關影像處理操作及運算。

另外，本實施例的影像感測方法可由圖1至圖10實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

綜上所述，本揭露的影像感測器以及影像感測方法可藉由多個像素類型的多個像素單元來感測影像，以使取得多個參考影像畫面。本揭露的這些像素單元可依據像素類型分別具有不同的特性曲線可對應多種影像品質。並且，本揭露的影像感測器可透過設計這些像素單元具有不同的電極偏壓、電極間距參數以及電極寬度比的至少其中之一，以使這些像素單元依據像素類型可具有不同的影像感測特性，例如是可用於感測高動態範圍的影像畫面或是可用於感測高感光度的影像畫面。也就是說，本揭露的影像感測器以及影像感測方法可於一次取像操作中，獲得多種影像品質的參考影像畫面。據此，本揭露的影像感測器以及影像感測方法可分析並且組合這些參考影像畫面來取得可兼顧多種影像品質的特定影像畫面，並且可適用於快速移動的影像情境。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧影像感測器

110‧‧‧像素感測電路

120‧‧‧像素單元

Claims (20)

1. 一種影像感測器，包括：多個像素單元，排列為一像素陣列，用以感測一影像，以取得多個參考影像畫面，並且該些像素單元具有多個像素類型；以及多個像素感測電路，分別電性連接至該些像素單元，用以分別接收該些像素單元各別產生的一光電流，其中該些像素單元分別依據該些像素類型具有不同的一特性曲線，並且該些像素單元各別的一電極結構參數以及一電極偏壓的至少其中之一依據對應的該特性曲線來決定。
2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該電極結構參數包括一電極間距參數以及一電極寬度比的至少其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該些像素單元各別包括：一第一電極以及一第二電極，電性連接至該些像素感測電路的其中之一，用以接收該些像素感測電路的其中之一提供的該電極偏壓；以及一光電轉換層，配置在該第一電極以及該第二電極之間，用以依據該電極偏壓產生對應於該些參考影像畫面的其中之一的該光電流。
4. 如申請專利範圍第3項所述的影像感測器，其中該第一電極以及該第二電極為共平面。
5. 如申請專利範圍第4項所述的影像感測器，其中該第一電極以及該第二電極為一半開放圖形。
6. 如申請專利範圍第4項所述的影像感測器，其中該第一電極以及該第二電極為一封閉圖形。
7. 如申請專利範圍第3項所述的影像感測器，其中該第一電極、該第二電極以及該光電轉換層垂直配置在一基板上，以使該第二電極、該光電轉換層以及該第一電極依序堆疊。
8. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該些像素單元依據像素類型交錯排列，以形成該像素陣列。
9. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該些像素單元依據像素類型分區排列，以形成該像素陣列。
10. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該些像素單元依據該些像素類型來分別取得該些參考影像畫面，並且該影像感測器依據該些像素單元各別的該特性曲線分析該些參考影像畫面，以藉由該些參考影像畫面組合一特定影像畫面。
11. 如申請專利範圍第10項所述的影像感測器，其中該些像素單元依據該些像素類型於一次取像操作中，取得該些參考影像畫面。
12. 如申請專利範圍第10項所述的影像感測器，其中該些參考影像畫面各別對應一組相同像素類型的像素單元，並且該些參考影像畫面的數量等於該些像素類型的數量。
13. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該影像感測器透過該些像素單元以全局快門的方式取得該些參考影像畫面。
14. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中該影像感測器透過該些像素單元以捲簾快門的方式取得該些參考影像畫面。
15. 一種影像感測方法，適用於一影像感測器，該影像感測器包括多個像素單元以及多個像素感測電路，並且該些像素單元具有多個像素類型，其中該些像素單元用以感測一影像，並且該些像素單元分別依據該些像素類型具有不同的一特性曲線，其中該影像感測方法包括：藉由該些像素單元依據該些像素類型來分別取得多個參考影像畫面；以及依據該些像素單元各別的該特性曲線來分析該些參考影像畫面，以藉由該些參考影像畫面組合一特定影像畫面。
16. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測方法，其中該些像素單元各別的一電極結構參數以及一電極偏壓的至少其中之一依據對應的該特性曲線來決定。
17. 如申請專利範圍第16項所述的影像感測方法，其中該電極結構參數包括一電極間距參數以及一電極寬度比的至少其中之一。
18. 如申請專利範圍第16項所述的影像感測方法，其中藉由該些像素單元依據該些像素類型來分別取得該些參考影像畫面的步驟包括：各別透過該些像素單元接收該些像素感測電路的其中之一提供的該電極偏壓，以使該些像素單元各別依據該電極偏壓產生對應於該些參考影像畫面的其中之一的一光電流至該些像素感測電路的其中之一。
19. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測方法，其中該些像素單元依據該些像素類型於一次取像操作中，取得該些參考影像畫面。
20. 如申請專利範圍第15項所述的影像感測方法，其中該些參考影像畫面各別對應一組相同像素類型的像素單元，並且該些參考影像畫面的數量等於該些像素類型的數量。