影像感测电路及方法与流程

本发明系指一种影像感测机制，尤指一种影像感测电路与方法。
背景技术：
：一般而言，在目前现有的感光元件中，其所采用的影像感测电路，通常是藉由数张影像叠合的技术，或者藉由增加感光元件中实体电容的大小，来达到高影像亮度动态范围的效果，而前者需要拍摄数张影像，后者则需要增加较多的电路成本(较大颗的电容占用较大的电路面积)，均各有其缺点。技术实现要素：本发明的目的之一在于提供一种影像感测电路与方法，能够以较小的电路成本达到在单张影像中获取最高的影像亮度动态范围，解决目前现有技术碰到的难题。根据本发明的实施例，其揭露了一种影像感测电路。影像感测电路包含有一浮动节点、一开关电路、至少一电容及一计数电路，浮动节点用以接收感光像素的影像电荷，开关电路耦接于浮动节点与至少一电容之间并用以动态地连接及断开浮动节点与至少一电容，该至少一电容具有第一端耦接至开关电路以及第二端耦接至接地准位，计数电路耦接至开关电路并用以根据开关电路的动态切换，计数至少一电容的充放电次数，其中开关电路进行动态切换，使至少一电容动态进行充电及放电来接收影像电荷的能量，以及影像电荷的能量系由计数电路所计数之充放电次数以及至少一电容最后量测到的一电位值所决定。根据本发明的实施例，其另揭露了一种用于影像感测电路的方法。该方法包含有：提供浮动节点，用以接收感光像素的影像电荷；使用开关电路耦接于浮动节点与至少一电容之间，该至少一电容具有第一端耦接至开关电路 以及具有第二端耦接至一接地准位；动态地连接及断开浮动节点与至少一电容，使至少一电容动态进行充电及放电来接收影像电荷的能量；以及计数至少一电容的一充放电次数，其中影像电荷的能量系由所计数之充放电次数以及至少一电容最后量测到的一电位值所决定。附图说明图1为本发明之实施例影像感测方法/机制的流程示意图。图2为本发明第一实施例影像感测电路的示意图。图3为本发明第二实施例影像感测电路的示意图。图4为本发明第三实施例影像感测电路的示意图。图5为图4所示之讯号q与qb的讯号波形示意图。附图标号说明：200、300、400影像感测电路205、305、405开关电路210、310、410计数电路215、315、415估算电路本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式请参照图1，图1所绘示为本发明之实施例影像感测方法/机制的流程示意图，本发明的影像感测方法/机制通过至少一个电容的动态充电及放电以能够估算感光像素的影像电荷能量，其中一感光像素所指的是感光元件的像素单元，该像素单元可在不同的光源环境条件下(不同的曝光环境)产生不同大小的影像电荷能量，而本发明的影像感测方法可通过单一个电容或多个电容(两个或三个以上)的充电及放电来精确估测感光像素所产生的影像电荷能量大小，以正确计算影像亮度的动态范围，适用于不同的曝光环境，特别 是可适用于强光的曝光环境中以避免过曝，在拍摄单张影像的预定快门时间内，就可以获得最高的影像亮度动态范围，而所增加的电路成本并不多；相较于现有技术来说，本发明所采用之一或多个电容的电容值均小于(或远小于)现有技术所采用的电容数值而仍可正确有效地获取得最高的影像亮度动态范围。此外上述的机制亦可适用于卷帘式/滚动式快门(rollingshutter)及全域快门(globalshutter)。倘若大体上可达到相同的结果，并不需要一定照图1所示之流程中的步骤顺序来进行，且图1所示之步骤不一定要连续进行，亦即其他步骤亦可插入其中；本发明的影像感测方法的流程步骤详述如下：步骤105：提供一浮动节点(floatingnode)，接收感光像素的影像电荷；步骤110：使用一开关电路耦接于浮动节点与至少一个电容之间，该至少一个电容具有第一端耦接至开关电路以及具有第二端耦接至接地准位；步骤115：动态地连接及断开浮动节点与该至少一个电容，使该至少一个电容动态进行充电及放电来接收影像电荷的能量；步骤120：计数该至少一个电容的充放电次数；步骤125：量测该至少一个电容最后的电位；步骤130：根据充放电次数及最后量测到的电位值，估计影像电荷的能量，以判断感光像素的最高曝光范围(或影像亮度的动态范围)；以及步骤135：结束。本发明的第一个实施例是通过利用单一个电容的充电及放电来估测影像电荷的能量大小。请参照图2，其所绘示为本发明第一实施例影像感测电路200的示意图，影像感测电路200能够估算一感光像素(位于影像感测电路200外部而并未绘示于图上)的影像电荷的能量，感光像素系指感光元件的像素单元，该像素单元在不同的光源环境条件下(不同的曝光环境)会产生不同大小的影像电荷能量，而本发明的影像感测电路200能够精确估测感光像素所产生的影像电荷能量大小，正确计算影像亮度的动态范围，适用于不同曝光环境，在第一实施例中，是通过单一个电容的充电及放电行为来估算/决定该影像电荷的能量在该单一个电容所对应产生的电位差增幅(或电压增幅)，以等效判断出影像电荷的能量大小，影像感测电路200包括有浮动节点 fd、开关电路205、电容c1、计数电路210及估算电路215，浮动节点fd连接至一外部的感光像素，并用以接收该外部感光像素所感光产生的影像电荷能量，当在接收影像电荷能量时，浮动节点fd与估算电路215之间的连接会断开，而当已接收完毕后，浮动节点fd与估算电路215之间的连接会接上，使估算电路215可通过浮动节点fd、开关电路205来测知电容c1最终的电位值，开关电路205耦接于浮动节点fd与电容c1之间，并用以动态地连接及断开浮动节点fd与电容c1，电容c1具有第一端耦接至开关电路205以及第二端耦接至接地准位gnd，计数电路210耦接至开关电路205、估算电路215，用以根据开关电路205的动态切换，计数电容c1的充放电次数，其中开关电路205进行动态切换，使电容c1动态进行充电及放电来接收影像电荷的能量，影像电荷的能量系由计数电路210所计数之充放电次数以及从电容c1最后量测到的电位值所决定。估算电路215耦接至电容c1与计数电路210并用以量测电容c1最后的电位，以及根据电容c1的充放电次数及从电容c1最后量测到的该电位值来估计该影像电荷的能量，以判断该感光像素的最高曝光范围(或影像亮度的动态范围)。当电容c1预备可被充电时，例如电容c1目前的电位为零时，计数电路210系控制开关电路205，连接浮动节点fd与电容c1，使得电容c1开始接收输入的影像电荷的能量，如果影像电荷的能量无法一次充饱电容c1，则电容c1上的电位在不超过一预定电位(例如其额定最高电位/电压)的条件下，最终会因为充电的关系而被提升至一最终电位值vc1，此情况下，电容c1从起始开始接收影像电荷能量至完全接收影像电荷能量的过程中并未有完整的一次充电及放电的行为，计数电路210用以计数电容c1的充放电次数，于此系将充放电次数计数为零次，因此估算电路215在根据充放电次数(零次)及电容c1的最终电位值vc1时可判断出通过电容c1的电容值大小来接收影像电荷的能量时会使具有该电容值的电容之电位提高一个vc1的电位值增幅，根据电容c1的电容值及所判断的电位增幅vc1，等效可以估算该影像电荷的能量大小，而根据所判断出的电位增幅vc1可估算出目前光源环境的最高曝光强度(即影像的动态范围)。此外，计数电路210会侦测电容c1来测知是否电容c1的目前电位已充电至该预定电位及目前电位是否因放电已至零电位，例如可测量电容c1的目前电位已充电至额定最高电位/电压(亦即是否被充饱)及目前电位是否因放电已至零电压电位(电荷是否已被放尽)，以该预定电位设计为额定最高电位/电压来说，如果该影像电荷的能量大于电容c1单次所能储存的能量大小，则当电容c1已被影像电荷的部分能量充饱时，计数电路210会控制开关电路205进行切换，使开关电路205断开浮动节点fd与电容c1的连接，并使电容c1进行放电，而当电容c1上的电荷放尽后，也就是电容c1放电完毕后，计数电路210再控制开关电路210进行切换，连接浮动节点fd与电容c1以继续接收该影像电荷的另一部分能量，此时计数电路210于计数电容c1的充放电次数时会计数为一次，也就是说，从零电位充电至该预定电位(例如额定最高电位/电压)以及接着从该预定电位放电至零电位的行为是一次完整的充放电，通过上述反复控制开关电路205的动态切换及侦测/控制电容c1的充放电，电容c1从起始开始接收影像电荷的能量至完全接收影像电荷能量，计数电路210可累计得出电容c1的充放电次数(例如n次，n为正整数)，估算电路215则可测量到电容c1的最终电位vc1并从计数电路210获知充放电次数为n次，因此，根据充放电次数n次及c1的最终电位值vc1，估算电路215可判断出通过电容c1的电容值大小来接收影像电荷的能量时会使具有该电容值的电容之电位提高一个vc1+vmax×n的电位值增幅，其中vmax是电容c1的额定最高电位(亦即电容c1被充饱时的最高电位值)，根据电容c1的电容值及所判断的电位增幅vc1+vmax×n，等效可以估算该影像电荷的能量大小，而根据所判断出的电位增幅vc1+vmax×n可估算出目前光源环境的最高曝光强度(影像的动态范围)。另外，在第一实施例的另一种设计变型中，可将估算电路215实现于影像感测电路200的外部而不包括于影像感测电路200内，换言之，影像感测电路200系用以控制并计数电容c1的充放电次数，后续的估算操作由一外部的估算电路进行。此外，开关电路205、计数电路210亦可整合实现于同一块电路上。本发明的第二个实施例是利用两个电容依序充放电来取代模拟单一个电容，通过两个电容的充电及放电行为来估算/决定该影像电荷的能量所对应产生的电位差增幅(或电压增幅)，以等效判断出影像电荷的能量大小，而这样的好处在于两个电容在实现时可采用较小的电容值，电路成本较低。请参照图3，其所绘示为本发明第二实施例影像感测电路300的示意图，影像感测电路300能够估算一感光像素(位于影像感测电路300外部而并未绘示于图上)的影像电荷的能量，感光像素系指感光元件的像素单元，该像素单元在不同的光源环境条件下(不同的曝光环境)会产生不同大小的影像电荷能量，而本发明的影像感测电路300能够精确估测感光像素所产生的影像电荷能量大小，正确计算影像亮度的动态范围，适用于不同曝光环境，在第二实施例中，是通过两个电容c1、c2的充电及放电来估算/决定该影像电荷的能量在电容上所对应产生的电位差增幅(或电压增幅)，以等效判断出影像电荷的能量大小，影像感测电路300包括有浮动节点fd、开关电路305、电容c1～c2、计数电路310及估算电路315，浮动节点fd连接至一外部的感光像素，并用以接收该外部感光像素所感光产生的影像电荷能量，当在接收影像电荷能量时，浮动节点fd与估算电路315之间的连接会断开，而当已接收完毕后，浮动节点fd与估算电路315之间的连接会接上，使估算电路315可通过浮动节点fd、开关电路305来测知电容c1或c2最终的电位值，开关电路305耦接于浮动节点fd与电容c1、c2之间，并用以动态地连接及断开浮动节点fd与电容c1、c2，电容c1、c2均具有第一端耦接至开关电路305以及第二端耦接至接地准位gnd，开关电路305系连接至电容c1、c2其中一个，而开关另一个电容的连接，计数电路310耦接至开关电路305、估算电路315，用以根据开关电路305的动态切换，计数电容c1、c2的充放电次数，其中开关电路305进行动态切换，使电容c1、c2动态进行充电及放电来接收影像电荷的能量，影像电荷的能量系由计数电路310所计数之充放电次数以及从电容c1或c2最后量测到的电位值所决定。估算电路315耦接至电容c1、c2与计数电路310并用以量测电容c1或c2最后的电位，根据电容c1、c2的充放电次数及从电容c1或c2最后量测到的该电位值来估计该影像电荷的能量，以判断该感光像素的最高曝光范围(或影像亮度的动态范围)。当电容c1、c2预备可被充电时，例如电容c1、c2目前的电位为零时，影像感测电路300系先通过利用电容c1来接收影像电荷的能量，当电容c1被充饱时(预定电位设计为额定最高电位/电压)，改过通过电容c2来继续接收影像电荷的能量(此时电容c1进行放电)，然而，影像感测电路300也可以先通过利用电容c2来接收影像电荷的能量，当电容c2被充饱时，改过通过电容c1来继续接收影像电荷的能量(此时电容c2进行放电)，此并非本发明的限制。而以电容c1先充电来说，实作上，计数电路310系控制开关电路305，连接浮动节点fd与电容c1，使得电容c1开始接收输入的影像电荷的能量，电容c2与浮动节点fd之间的连接则断开，如果影像电荷的能量无法一次充饱电容c1，则电容c1上的电位在不超过其额定最高电位的条件下，最终会因为充电的关系而被提升至一最终电位值vc1，此情况下，电容c1、c2从起始开始接收影像电荷能量至完全接收影像电荷能量的过程中均并未发生一次完整的充放电的行为，计数电路310用以计数电容c1、c2的充放电次数，于此系将其计数为零，因此估算电路315在根据充放电次数(零次)及c1的最终电位值(电容c2此时的电位为零)时可判断出通过电容c1的电容值大小来接收影像电荷的能量时会使具有c1之该电容值的电容之电位提高一个vc1的电位值增幅，根据电容c1的电容值及所判断的电位增幅vc1，等效可以估算该影像电荷的能量大小，而根据所判断出的电位增幅vc1可估算出目前光源环境的最高曝光强度(即影像的动态范围)。此外，计数电路310会侦测电容c1、c2来测知是否电容c1、c2目前已被充饱及是否已放电至零电位，如果该影像电荷的能量大于电容c1或c2单次所能储存的能量大小，以电容c1先充电来说，当电容c1已被影像电荷的部分能量充饱时，计数电路310会控制开关电路305进行切换，使开关电路305断开浮动节点fd与电容c1的连接，并使电容c1进行放电，以及开关电路305连上浮动节点fd与电容c2的连接，并使电容c2开始接收影像电荷的另一部分能量进行充电，而当电容c2被充饱时(电容c1上的电位会在此之前先放电至零电位)，计数电路310再控制开关电路310进行切换，使开关电路305断开浮动节点fd与电容c2的连接，并使电容c2进行放电，以及开关电路305连上浮动节点fd与电容c1的连接，并使电容c1再度开始接 收影像电荷的部分能量进行充电，此时计数电路310于计数电容c1、c2的充放电次数时会将电容c1、c2的充放电次数各计数为一次，通过上述反复控制开关电路305的动态切换及侦测/控制电容c1、c2的充电及放电，从通过电容c1、c2起始开始接收影像电荷的能量至完全接收影像电荷能量后，计数电路310可累计得出电容c1的充放电次数为n1次(n1为正整数)以及电容c2的充放电次数为n2次(n2为正整数)，n1等于n2，而估算电路315则可测量到电容c1或c2的最终电位vc1或vc2并从计数电路310获知充放电次数为n1次与n2次，因此，根据充放电次数n1与n2及c1或c2的最终电位值vc1或vc2，估算电路315可判断出通过电容c1、c2之设计组合的电容值大小来接收影像电荷的能量时等效会使得具有该并联电容值的电容之电位提高一个vc1+vmax1×n1+vmax2×n2的电位值增幅或vc2+vmax1×n1+vmax2×n2的电位值增幅(视最终所量测的是电容c1的最终电位vc1或是电容c2的最终电位vc2而定)，其中vmax1、vmax2各自为电容c1、c2的额定最高电位(亦即电容c1、c2被充饱时的最高电位值)，根据电容c1、c2的电容值及所判断的电位增幅vc1+vmax1×n1+vmax2×n2或vc2+vmax1×n1+vmax2×n2，等效可以估算该影像电荷的能量大小，而根据上述所判断出的电位增幅可估算出目前光源环境的最高曝光强度(影像的动态范围)。另外，在第二实施例的另一种设计变型中，可将估算电路315实现于影像感测电路300的外部而不包括于影像感测电路300内，换言之，影像感测电路300系用以控制并计数电容c1、c2的充放电次数，后续的估算操作由一外部的估算电路进行。此外，开关电路305、计数电路310亦可整合实现于同一块电路上。再者，电容c1、c2的电容可以采用具有相同电容值的电容，或是采用具有不同电容值的电容。若电容c1、c2采用不同的电容值来实现，则估算电路315需根据电容c1、c2的不同电容值及所判断出各自的电位增幅vmax1×n1、vmax2×n2及最终电位(vc1或vc2)，来估算该影像电荷的能量大小，以及决定目前光源环境的最高曝光强度(影像的动态范围)。反之，若采用相同的电容位，则不同电容所对应的电位增幅可以累计，估算电路315的计算会比较简单，易于实现。再者，本发明通过利用两个电容依序的充电及放电的操作可以通过自动控制的机制来实现。请参照图4，其所绘示为本发明第三实施例影像感测电路400的示意图，影像感测电路400能够估算一感光像素(位于影像感测电路400外部而并未绘示于图上)的影像电荷的能量，感光像素系指一感光元件的像素单元，该像素单元在不同的光源环境条件下(不同的曝光环境)会产生不同大小的影像电荷能量，而本发明的影像感测电路400能够精确估测感光像素所产生的影像电荷的能量大小，正确计算影像亮度的动态范围，适用于不同曝光环境，通过两个电容c1、c2的充电及放电来决定影像电荷的能量，影像感测电路400包括有浮动节点fd、开关电路405、电容c1～c2、计数电路410及估算电路415，开关电路405包括四个开关m1～m4及一开关控制器(包括反相器inv1～inv2)，m1～m4分别由四个晶体管实现，开关m1连接于浮动节点fd与电容c1之间，开关m2连接于浮动节点fd与电容c2之间，开关m3连接于电容c1与接地准位gnd之间，开关m4连接于电容c2与接地准位gnd之间，开关m1、m4的状态由讯号q控制，而开关m2、m3的状态由讯号qb控制，其中讯号q、qb是由反相器inv1、inv2所组成的开关控制器所产生以自动控制开关电路405自动进行动态切换，讯号q、qb互为反相，以电路架构来看，反相器inv1具有一输入端及一输出端，反相器inv1输入端耦接至电容c1之电位准位(fd1)，反相器inv1的输出端之讯号q系用以控制开关m1及m4的状态(开路或闭路)，反相器inv2具有一输入端及一输出端，反相器inv2的输入端耦接至电容c2之电位准位(fd2)，反相器inv2的输出端之讯号qb系用以控制开关m2及m3的状态(开路或闭路)，反相器inv1之输入端系耦接至反相器inv2之输出端，以及反相器inv2之输入端系耦接至反相器inv1之输出端。当讯号q控制开关m1、m4为导通时，讯号qb会控制开关m2、m3为开路而断开连接，电容c1的电位fd1系耦接至浮动节点fd而不连接至接地准位gnd，因此用来进行充电以接收影像电荷的能量，而电容c2的电位fd2系连接至接地准位gnd，进行放电，反之，当讯号qb控制开关m2、m3为导通时，讯号q会控制开关m1、m4为开路而断开连接，电容c1的电位fd1系耦接至接地准位gnd，进行放电，而电容c2的电位fd2系耦接至浮动节点fd而不连接至接地准位 gnd，因此用来进行充电以接收影像电荷的能量。上述的自动控制机制在于，当电容c1的电位fd1从零电位充电至额定最高电位的过程中，通过反相器inv1、inv2的运作，讯号q此时会从高电位切换至低电位，而讯号qb从零电位切换至高电位，因而会控制开关m1从闭路切换为开路、控制开关m3从开路切换为闭路，使电容c1在充电至额定最高电位时立刻自动转为开始放电，同样地，亦可控制电容c2在充电至额定最高电位时可以立刻自动转为开始放电。此外，除了如上述第一、第二实施例中通过侦测电容端点的电位改变来计数或判断电容的充放电行为与次数，计数电路410可以计数讯号q与qb的讯号准位切换次数，来计数电容c1、c2的充放电次数。请参照图5，图5所示为图4所示之讯号q与qb的讯号波形示意图，如图5所示，t1至t7所对应的是讯号q及qb的讯号脉波，分别代表电容c1、c2的充电顺序，例如t1时电容c1先进行充电，之后t2时电容c2进行充电而电容c1放电，依此类推，至t7时电容c1进行充电而完整接收影像电荷剩余所有的能量，实作上，计数电路410可计数讯号q与qb的正缘(risingedge)及负缘(fallingedge)的讯号切换，以得知电容c1、c2是否完成一次完整的充电及放电行为，例如可侦测计数讯号q对应于t1之讯号脉波的正缘及负缘而判断电容c1目前完成一次完整的充电及放电行为，以计数出电容c1的充放电次数为一次，因此，依此类推，于此例子中，计数电路410可计数出电容c1、c2最后均发生三次的完整的充电及放电行为。此外，估算电路415的操作与功能则类似于图3所示之估算电路315的操作与功能，为了避免说明书太过冗长，不再赘述。再者，本发明也可以通过利用三个以上的电容的充电及放电行为来估测影像电荷的能量大小。其中，开关电路的设计中可包括对应于三个以上电容之个数的开关，而开关电路系用以在任何时间下至少都会导通一个开关，使得至少有一个相对应的电容可进行充电以接收影像电荷的能量，而至少有一个开关会是开路状态，使得至少有另一个电容会进行放电，举例来说，通过利用三个电容的充电及放电来估测影像电荷的能量大小，开关电路可设计成 在任何时间下第一个开关会导通(闭路状态)，第二个开关会是开路状态，而剩下的第三个开关可以是即将从开路转为导通或是刚刚转为导通的状态，使得可至少有一个电容可用于进行充电、并且有一个电容在进行放电，例如，当对应于第一开关原先用于充电的第一电容在充电一段时间后要改为放电时，第三开关已经从开路转为导通的状态，使第三电容也已经开始进行充电，而这样设计的好处是影像电荷的能量可无缝隙地连续被三个电容所接收。应注意的是，虽然上述实施例中，电容在放电时均会放电至零电位，然而这并非是本发明的限制，在其他设计变型中，亦可设定为放电时放电至一较低电压电位即可，而上述的估算电路于计算影像电荷能量所产生的电位增幅只需要稍加改良，一次充电时所产生电位增幅由从零电位至预定电位的增幅计算方式改为从该较低电压电位至预定电位的增幅计算方式即可。以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。当前第1页12