CN101262553A - 具有温度传感器的图像传感器及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种驱动图像传感器的方法，包括步骤：感测来自图像传感器的温度；根据所感测到的温度选择控制信号的电压电平；和响应于具有所选电压电平的控制信号检测图像。图像传感器包括温度传感器，被配置为感测图像传感器的温度；和像素阵列，被配置为响应于控制信号检测图像，其中控制信号作为所感测到的温度的函数改变电压电平。
Description
相关申请的交叉引用
该U.S.非临时专利申请依据35U.S.C.§119要求2007年1月3日提交的韩国专利申请No.10-2007-00739的优先权，在此通过引用的方式将其整体内容合并在此。
技术领域
在此公开的本发明涉及图像传感器。更特别地，在此公开的本申请涉及具有温度传感器的图像传感器以及其驱动方法。
背景技术
随着数字技术的日益快速发展，数字照相机成了各种数字电子产品中的典型设备。控制数字照相机质量的基本元件是光学透镜和图像传感器。图像传感器进行操作以便从入射到光学透镜上的光线产生代表良好质量的画面的电信号。
图像传感器通常具有像素阵列，即以两维矩阵排列的多个像素。每个像素都包括光敏装置、传输和读出器件。根据传输和读出器件的类型，图像传感器通常被分成两种类型，如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体图像传感器(CIS)。CCD使用MOS电容器，用于传送和输出信号，其中MOS电容器彼此相邻且电荷载流子被存储在MOS电容器中，并通过电势差输送到相邻电容器。与此不同，CIS以开关模式进行操作，通过该开关模式，MOS晶体管按照像素个数顺次检测输出。
CCD在噪声和图像质量方面优于CIS，但是不足在于制造成本和功耗超过了CIS。换句话说，CIS具有功率较低、电压和电流源的奇异性、功耗小、强化CMOS电路的兼容性、随机存取图像数据、通过使用标准CMOS技术而降低成本等优点。因此，CIS的应用正在交叉数字照相机、智能电话、个人数字助理(PDA)、笔记本计算机、保密照相机、条型码阅读器、高清晰度电视机、高分辨率照相机、电子玩具等上扩展。
为了像人眼的机能一样，仍希望这些图像传感器增加特色并减少噪声。尽管目前已经增加了图像信号处理器(I SP)以改进噪声易感特性，但其对于对抗传感器自身中固有的热噪声的增加仍然不够。
发明内容
本发明的各方面涉及图像传感器，将其配置为用于减轻由于与温度增加相伴随的热噪声而导致的劣化，并涉及用于驱动该图像传感器的方法。
根据本发明的一个方面，提供了用于驱动图像传感器的方法，包括步骤：从图像传感器感测温度；根据所感测到的温度选择控制信号的电压电平；和响应于具有所选电压电平的控制信号来检测图像。
图像传感器的温度可通过温度传感器感测。
控制信号可以多个电压电平操作。
图像可响应于控制信号通过像素驱动电路检测。像素驱动电路包括：温度传感器，其进行操作以感测图像传感器的温度；和行驱动器，其根据所感测到的温度由多个电压电平之一产生控制信号并将该控制信号传送到像素阵列。
控制信号可在两个电压电平下操作。
当图像处于低亮度且图像传感器被加热到预定温度以上时，控制信号可在两个电压电平中较小的那个电压电平下操作。
可以将温度传感器布置在与像素驱动电路相同的结构中。
根据本发明的另一方面，提供一种图像传感器，其包括：温度传感器，被配置为从图像传感器感测温度；和像素阵列，被配置为响应于控制信号检测图像。控制信号可以作为所感测到的温度的函数而变化电压电平。
像素阵列可包括多个像素驱动电路。每个像素驱动电路可包括：光敏器件，被配置为检测图像并产生图像信号；和传输晶体管，被配置为响应于控制信号输出图像信号。
图像传感器可进一步包括行驱动器，被配置为根据所感测到的温度选择具有多个电压电平之一的电压作为控制信号，并将所选电压电平的控制信号传送到像素驱动电路。
图像传感器可进一步包括电压产生器，被配置为产生多个电压电平。
图像传感器可进一步包括行驱动器，被配置为根据所感测到的温度产生具有多个电压电平之一的控制信号作为控制信号，并将控制信号传送到像素驱动电路。
控制信号可以具有两个电压电平之一。
当图像具有低亮度且在图像传感器被加热到预定温度值以上时，控制信号可在两个电压电平中较小的电压电平下操作。
可以将温度传感器布置在与像素驱动电路相同的结构中。
可以将温度传感器布置在像素阵列中。
温度传感器可包括有源和无源器件。
与像素阵列的输出相关的所有节点都通过所感测到的温度控制。
温度传感器可以是多个温度传感器。
图像传感器可以是互补金属氧化物半导体图像传感器。
图像传感器可进一步包括电平选择信号产生器，被配置为产生作为所感测到的温度的函数的电平选择信号。
可以根据温度来检测电压，且电平选择信号产生器可以被配置为通过比较所检测到的电压和一组参考电压来产生电平选择信号。
行驱动器响应于电平选择信号确定控制信号的电压电平。该图像可进一步包括行驱动器，被配置为响应于电平选择信号确定控制信号的电压电平。可以将行驱动器配置为输入多个控制信号，每一个都处于不同的电压电平，并响应于电平选择信号选择多个控制信号之一作为控制信号。
根据本发明的又一方面，提供一种图像传感器，其包括：温度传感器，被配置为感测来自图像传感器的温度；像素阵列，被配置为响应于控制信号检测图像；行驱动器，其被配置为控制像素阵列，以产生控制信号；和加电电路，被配置为确定控制信号的电压电平。加电电路的电压电平根据所感测到的温度而变化。
根据本发明的另一方面，提供一种图像传感器，其包括：图像传感器，被配置为感测图像传感器的温度；像素阵列，被配置为响应于控制信号检测图像和产生图像信号；和模数转换器，被配置为将图像信号转换成数字信号。控制信号的电压电平根据所感测到的温度而变化。
根据本发明的再一方面，还提供了一种图像处理***，其包括：图像传感器，其被配置为通过感测图像输出图像信号；和温度传感器，其被配置为从图像传感器感测温度。图像传感器被配置为根据所感测到的温度控制图像信号的输出量。
通过参考说明书的剩余部分和附图将实现对在此的本发明各方面特性和优点的进一步理解。
附图说明
将参考附图描述根据本发明的非限制性和非排他性实施例，其中，贯穿各图，除非另有说明，否则相同的附图标记表示相同的部件。在图中：
图1是根据本发明的图像传感器的实施例的框图；
图2是根据本发明的像素阵列中单元像素驱动电路的实施例的电路图；
图3是图2中所示的像素驱动电路的截面图；
图4图解了从根据本发明的像素驱动电路传送EHP电荷信号的过程的实施例；
图5图解了在根据本发明的像素驱动电路的正常操作模式下噪声传播过程的实施例；
图6图解了在根据本发明的像素驱动电路的低亮度模式下噪声传播过程的实施例；
图7A和7B是用于控制根据本发明的温度传感器的功能性结构的实施例的框图；和
图8A、8B和8C图解了根据本发明的温度传感器的实施例。
具体实施方式
以下将参考附图更详细地描述根据本发明的优选实施例。然而，本发明可体现为不同形式且不应认为其限于在此列出的实施例。贯穿附图，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是根据本发明的各方面的图像传感器100的实施例的框图。参考图1，图像传感器100由像素阵列120、行驱动器140、模数转换器(ADC)160以及温度传感器180构成。图像传感器100装配有温度传感器180，从而当温度超过预定度数且以低水平照射光时降低像素阵列120的输出值。从而，基本上防止了由于热噪声而导致的图像传感器100的图像质量劣化。为了便于描述，将图像传感器100描述为以CIS类型而实施。
像素阵列120由以矩阵形式排列的多个像素形成。每个像素都包括光电二极管(即，光敏器件，未示出)以及用于从光电二极管传送并输出电荷的晶体管(未示出)。可根据晶体管的数量来以多种形式配置像素。稍后将结合图2详细描述根据本发明的各方面的像素阵列120的结构。
像素阵列120包含用于接收在像素顶部上的特定颜色的光的滤色器。像素阵列120至少具有三种类型的滤色器，用以组成颜色信号。滤色器阵列最一般的结构是拜耳图形(现有技术中公知的)，其具有两行重复排列；一行是红(R)和绿(G)滤色器而另一行是绿(G)和蓝(B)滤色器。该结构中，关于亮度的G色被布置在所有行上而R和B色在阵列中每隔一行排列，其增加了亮度分辨率。数字图片照相机通常装配有CIS，为了增加分辨率的目的，其通常都具有百万以上的像素。
像素阵列120通过感测光并借助于光电二极管将所感测到的光转换成电信号来产生图像信号。从像素阵列110输出的图像信号是具有R、G和B三个分量的模拟信号。
行驱动器140响应于从定时控制器(未示出)提供的定时控制信号产生行选择信号SEL、复位控制信号RX以及传输控制信号TX。行选择信号SEL、复位控制信号RX以及传输控制信号TX被传送到像素阵列120的像素。在此，定时控制器产生定时控制信号和寻址信号，用于选择像素和输出从像素感测到的图像信号。
ADC 160将自像素阵列120输出的模拟图像信号转换成数字信号。在经由光电二极管将光电二极管的图像信号VS IG转换成数字信号时，在图像传感器中使用相关双取样(correlated double sampling，CDS)模式。以CDS模式操作的ADC 160接收复位信号VRES并将自光电二极管感测到的图像信号VSIG转换成数字信号。无论何时在预定周期内通过光电二极管感测到新的光，在施加由光电二极管最近感测到的图像信号VSIG至ADC 160之前，像素阵列120都输出复位信号VRES至ADC 160。ADC 160在响应于复位信号VRES而被复位之后由自光电二极管输入的图像信号VSIG产生数字信号。这种数字信号被传送到数字信号处理器(未示出)并加入其中。之后，数字信号处理器通过产生适合于显示单元分辨率的驱动信号来驱动显示单元，如液晶显示器(LCD)。
温度传感器180进行操作以检测提供到行驱动器140的当前温度。根据该温度，自行驱动器140输出的信号RX、TX和SEL变化。在进一步的细节中，如果图像传感器100被加热到超出预定度数的温度，则其降低输出信号RX、TX和SEL的电压电平。由此，像素阵列120的输出值变得更低。结果，即使由于随着温度上升而增加热噪声，图像传感器100也控制增加的热噪声而不影响其输出。因此，图像传感器100能够防止由于热噪声导致的图像质量劣化。稍后将参考图8更详细地讨论温度传感器180。
根据本发明的各方面，图像传感器100能够借助于温度传感器180、响应于温度的当前度数来改变控制信号RX、TX和SEL的电压电平。因此，在高温和低亮度的环境中，图像传感器100发生作用以防止图像质量劣化。
图2是根据本发明的各方面在像素阵列120中使用的单元像素驱动电路121的实施例的电路图。参考图2，像素驱动电路121由光电二极管122、传输晶体管123、复位晶体管124、感测晶体管125和行选择晶体管126组成。图3是示出图2中所示的像素驱动电路121的垂直结构的截面图。参考图3，像素驱动电路121通过包括光电二极管122和四个晶体管123～126而组成。
当光“hv”入射到光电二极管122上时，在光电二极管122中产生电子空穴对(EHP)。产生EHP的机理如下。响应于入射光，在光电二极管122中电子从导带(conduction band)向价带(valence band)激发。这些受激电子导致在光电二极管122中感应EHP。EHP的电子沿着该处设置的电场移动。以下，EHP的电子将被称作“EHP信号电荷”。
EHP信号电荷响应于从行驱动器140提供的控制信号TX、RX和SEL被输出到ADC 160。
像素驱动电路121如下操作。在CDS模式的模数转换中，当在由行选择信号SEL指定的行的每一个像素处激活复位信号RX时，导通复位晶体管123。之后，浮动扩散(floating diffusion，FD)节点128在电势上进入驱动电压VDD。在此期间，FD节点128的电压作为复位信号VRES被输出。
当存在入射光时从光电二极管122产生的EHP信号电荷改变传输晶体管123源节点的电势。如果传输控制信号TX被激活以导通传输晶体管123，则所积累的EHP信号电荷被传送到FD节点128。由此，FD节点128通过EHP信号电荷而变化电势，导致感测晶体管125的栅极SGATE电势变化。在此期间，如果行选择晶体管126被导通，则行选择晶体管126源节点的电势作为图像信号VSIG输出。之后，复位晶体管124导通以加电FD节点128一直到驱动电压VDD。像素驱动电路121重复该过程。ADC 160根据复位信号VRES和图像信号VSIG之差进行模数转换的操作。
根据本发明的各方面，当图像传感器100的当前温度升高到超出预定度数时像素驱动电路121起到降低传输控制信号TX电压电平的功能。由此，像素驱动电路121进行操作以防止热噪声完全传播到ADC 180中。部分地干扰至ADC 180中的热噪声的原因将参考图4至7更详细地描述。
图4图解了根据本发明的各方面、从像素驱动电路121传送EHP电荷信号过程的实施例。参考图4，当存在入射光时，产生EHP信号电荷产生并将其积累在光电二极管122中。响应于施加到传输晶体管123栅极TGATE的传输控制信号TX，所产生的EHP信号电荷被传送到FD节点128。换句话说，参考图2、3和4，响应于施加到传输栅极TGATE的控制信号TX，如果能级变得更低，则所积累的EHP信号电荷流入到FD节点128中。流入到FD节点128的信号电荷被传送到感测栅极SGATE。被传送到感测栅极SGATE的信号通过感测晶体管125放大并作为图像信号通过行选择晶体管126输出。
像素驱动电路121响应于温度来改变传输控制信号TX的电压电平。为了便于描述，将讨论两种情况：一种是当所感测到的温度超出预定度数时；另一种是当所感测到的温度在预定度数以下时。传输控制信号TX可被分为多个电压电平，例如多于三个，以改善图像质量。
像素驱动电路121在正常模式和低亮度模式下是可分开操作的。这些模式根据由温度传感器180检测到的当前温度来区分。换句话说，像素驱动电路121在预定温度度数以下时以正常模式操作，而在高于预定温度度数时在低亮度模式下操作。
图5图解了在像素驱动电路121的正常操作模式下噪声传播过程的实施例。参考图5，光电二极管122不可避免地含有热噪声以及由入射光诱发的EHP信号电荷。在正常模式下，所有噪声都从光电二极管122流入到FD节点128。但是由于当在量方面与EHP信号电荷相比时这些噪声相对小，因此其不会明显不利地影响像素驱动电路121的输出电平。
图6图解了在根据本发明的各方面的像素驱动电路121的低亮度模式下噪声传播过程的实施例。参考图6，当温度在低亮度模式下相对高时，由噪声导致的影响更大。在该条件期间，图像传感器100的温度传感器180检测当前温度并将所检测的结果传送到行驱动器140。行驱动器140根据所感测到的温度产生具有较正常模式更低的电压电平的传输控制信号。响应于传输控制信号TX，传输晶体管123将EHP信号电荷和噪声由光电二极管122传送到FD节点128。在此期间，像素驱动电路121不将噪声由光电二极管122传送到FD节点。噪声部分保留在光电二极管122中。由此，相对于EHP信号电荷降低了热噪声。
因此，像素驱动电路121根据温度变化以不同电压电平提供传输控制信号TX。特别是，当图像传感器100具有高温且光以低亮度入射到其上时，控制信号TX降低电压电平以降低输出图像信号的噪声比率。结果，根据本发明各方面的图像传感器100能够改善受温度影响的噪声特性。
图7A和7B是根据本发明的各方面的、用于控制温度传感器180的功能结构实施例的框图。
参考图7A，温度传感器180被配置为控制传输栅极(TG)加电(power-up)电路130。温度传感器180检测图像传感器100的温度且之后将电平选择信号LSEL施加到TG加电电路130。TG加电电路130响应于电平选择信号LSEL选择并传送传输控制信号TX的电压电平至行驱动器140。行驱动器140产生传输控制信号TX以控制像素(APS)阵列120的像素驱动电路中所选择的一个。
参考图7B，温度传感器180控制行驱动器142。为了便于描述，传输控制信号TX被限制为能在四个电压电平下操作。TG加电电路132产生四种类型的传输控制信号TX。将传输控制信号TX施加到行驱动器132。行驱动器132响应于从温度传感器180提供的电平选择信号LSEL选择传输控制信号TX的四个电平中的一个。行驱动器132通过传输控制信号TX的所选电压电平控制像素阵列120的相应像素驱动电路121。
尽管根据本发明的实施例包括在四个电压电平下可获得传输控制信号TX的结构，但是并不限定传输控制信号的电压电平。传输控制信号TX的电压电平的值或数字可作为操作条件的函数而被调整。
图8A、8B和8C图解了根据本发明的温度传感器180的实施例。图8A和8B中所示的电路通过结合有源和无源器件来构成。图8中所示的电路被配置为具有与像素阵列120相同的结构。参考图8A、8B和8C，温度传感器180根据温度检测输出电压Vs。所检测的输出电压Vs用于产生电平选择信号LSEL。在此，电平选择信号LSEL由电平选择信号产生器182产生。
电平选择信号产生器182根据图像传感器100的温度存储参考电压。由此，电平选择信号产生器182通过比较所检测到的输出电压Vs和这些参考电压来输出电平选择信号LSEL。
虽然图8A、8B和8C的温度传感器180具体化为单个器件，但是其可以制备为多个器件。
将温度传感器180布置在像素阵列120的周线上，但是其也可包括在像素阵列120中。例如，具有如图8A、8B和8C中所示结构的温度传感器180可包括在像素阵列120中。
同时，温度传感器180被描述为仅控制传输晶体管123，但是其不限于此。根据本发明的温度传感器100可配置为与所有节点协同操作，该所有节点都与图像传感器100的输出相关。
将温度传感器180布置在图像传感器100内部，但是其不限于此。在一个实施例中，可以将温度传感器可布置在具有图像传感器的***的另一位置中。换句话说，温度传感器可形成在与图像传感器无关的芯片中。
根据本发明的各方面的图像传感器100能够借助于温度传感器180改变传输控制信号TX的电压电平。由此，根据本发明的各方面的图像传感器100能够抵抗低亮度下的热噪声改善劣化特性。
虽然具体化了本发明使得根据温度控制信号的电压电平是变化的，但是其还能通过温度改变电源电压电平。
如上所述，根据本发明的图像传感器在低亮度的条件下通过使用温度传感器对于减轻由于热噪声导致的劣化是有利的。
认为上述的主题是示意性的，且不是限制性的，并且所附权利要求旨在覆盖本发明的真实精神和范围内的所有这种修改、提高以及其他实施例。由此，为了最大化法律所允许的范围，本发明的范围将由以下权利要求及其等价物的最宽可允许解释来确定，且其不应由前面的详细描述而限制或局限。
Claims (19)
1.一种图像传感器，其包括：
温度传感器，被配置为感测所述图像传感器的温度；和
像素阵列，被配置为响应于控制信号检测图像，其中所述控制信号作为所感测到的温度的函数改变电压电平。
2.如权利要求1的图像传感器，其中所述像素阵列包括多个像素驱动电路，其中每个像素驱动电路包括：
光敏器件，被配置为检测图像并产生图像信号；和
传输晶体管，被配置为响应于所述控制信号来输出所述图像信号。
3.如权利要求1的图像传感器，还包括：
行驱动器，被配置为根据所感测到的温度选择具有多个电压电平之一的电压作为控制信号，并将具有所选电压电平的所述控制信号传送到像素驱动电路。
4.如权利要求3的图像传感器，还包括：
电压产生器，被配置为以多个电压电平产生电压。
5.如权利要求2的图像传感器，还包括：
行驱动器，被配置为根据所感测到的温度产生具有多个电压电平之一的控制信号，并将所述控制信号传送到像素驱动电路。
6.如权利要求5的图像传感器，其中所述控制信号具有两个电压电平中的一个。
7.如权利要求6的图像传感器，其中，当图像具有低亮度且图像传感器被加热到特定温度以上时控制信号可在两个电压电平中较小电压电平下操作。
8.如权利要求1的图像传感器，其中将所述温度传感器布置在与像素驱动电路相同的结构中。
9.如权利要求8的图像传感器，其中将所述温度传感器布置在像素阵列中。
10.如权利要求8的图像传感器，其中所述温度传感器由有源和无源器件构成。
11.如权利要求8的图像传感器，与所述像素阵列的输出相关的所有节点都通过所感测的温度控制。
12.如权利要求1的图像传感器，其中所述温度传感器是多个温度传感器。
13.如权利要求1的图像传感器，其是互补金属氧化物半导体图像传感器。
14.如权利要求1的图像传感器，还包括：
电平选择信号产生器，被配置为产生电平选择信号作为所感测到的温度的函数。
15.如权利要求14的图像传感器，其中根据温度检测电压并将电平选择产生器配置为通过比较所检测到的电压和一组参考电压来产生电平选择信号。
16.如权利要求15的图像传感器，进一步包括：
行驱动器，被配置为响应于所述电平选择信号确定所述控制信号的电压电平。
17.如权利要求16的图像传感器，其中将行驱动器配置为输入多个控制信号，每个都处于不同的电压电平，并配置为响应于电平选择信号选择多个控制信号之一作为控制信号。
18.一种图像传感器，其包括：
温度传感器，被配置为感测所述图像传感器的温度；
像素阵列，被配置为响应于控制信号检测图像；
行驱动器，被配置为控制所述像素阵列以产生所述控制信号；和
加电电路，被配置为确定所述控制信号的电压电平，
其中所述加电电路的电压电平根据所感测到的温度而变化。
19.一种图像处理***，其包括：
图像传感器，被配置为通过感测图像输出图像信号；和
温度传感器，被配置为感测所述图像传感器的温度，
其中所述图像传感器根据所感测到的温度控制所述图像信号的输出质量。
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