TWI734079B - 影像感測系統及其多功能影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測系統及其多功能影像感測器。多功能影像感測器包括像素陣列電路以及讀出電路。像素陣列電路包括多個像素單元。各像素單元於第一模式下受控於第一控制信號組以進行飛時測距感測運作，並據以依序產生多個第一輸出電壓。各像素單元於第二模式下受控於第二控制信號組以進行結構光感測運作，並據以依序產生多個第二輸出電壓。讀出電路於第一模式下根據各像素單元所產生的此些第一輸出電壓分別取得對應於飛時測距感測運作的多個第一數位資訊，且於第二模式下根據各像素單元所產生的此些第二輸出電壓分別取得對應於結構光感測運作的多個第二數位資訊。

Description

影像感測系統及其多功能影像感測器
本發明是有關於一種感測技術，且特別是有關於一種影像感測系統及其多功能影像感測器。
隨著科技的進步，三維(three-dimensional，3D)感測技術已應用在電子產品中。目前常見的3D感測技術包括立體視覺(Stereo Vision)感測技術、結構光(Structured Light)感測技術以及飛時測距(Time of Flight，TOF)感測技術等等，但不限於此。
一般來說，不同的3D感測技術所採用的影像感測器也不相同。舉例來說，結構光感測技術是對物體發射特定圖案的光斑(Pattern)，再經由影像感測器來感測此物體表面上的光斑圖案編碼(Light Coding)以取得光斑的變形量，從而偵測出物體的3D景深。而飛時測距感測技術則是對物體發射紅外光並經由影像感測器接收物體表面的反射光，藉由測量時間差以計算出物體的3D景深。由於結構光感測技術與飛時測距感測技術之間的技術差異，因此現行應用在結構光感測技術上的影像感測器並無法適用在飛時測距感測技術上，反之亦然。換句話說，現行的影像感測器無法通用於不同的3D感測技術領域，致使其應用範圍受到侷限。
有鑑於此，本發明提供一種影像感測系統及其多功能影像感測器，具有結構光感測功能及飛時測距感測功能。
本發明的影像感測系統包括發光模組以及多功能影像感測器。發光模組用以發送光波於空間中。多功能影像感測器用以感測光波於空間中反射後的反射光。多功能影像感測器包括像素陣列電路以及讀出電路。像素陣列電路包括多個像素單元。各像素單元於第一模式下受控於第一控制信號組以對反射光進行飛時測距感測運作，並據以依序產生多個第一輸出電壓。各像素單元於第二模式下受控於第二控制信號組以對反射光進行結構光感測運作，並據以依序產生多個第二輸出電壓。讀出電路耦接像素陣列電路，用以於第一模式下根據各像素單元所產生的此些第一輸出電壓分別取得對應於飛時測距感測運作的多個第一數位資訊，且用以於第二模式下根據各像素單元所產生的此些第二輸出電壓分別取得對應於結構光感測運作的多個第二數位資訊。
本發明的多功能影像感測器用以感測光波於空間中反射後的反射光。多功能影像感測器包括像素陣列電路以及讀出電路。像素陣列電路包括多個像素單元。各像素單元於第一模式下受控於第一控制信號組以對反射光進行飛時測距感測運作，並據以依序產生多個第一輸出電壓。各像素單元於第二模式下受控於第二控制信號組以對反射光進行結構光感測運作，並據以依序產生多個第二輸出電壓。讀出電路耦接像素陣列電路，用以於第一模式下根據各像素單元所產生的此些第一輸出電壓分別取得對應於飛時測距感測運作的多個第一數位資訊，且用以於第二模式下根據各像素單元所產生的此些第二輸出電壓分別取得對應於結構光感測運作的多個第二數位資訊。
基於上述，在本發明所提出的影像感測系統及其多功能影像感測器中，像素陣列電路可根據不同的控制信號組(即第一控制信號組及第二控制信號組)執行飛時測距感測運作或是結構光感測運作。因此，多功能影像感測器不僅通用於飛時測距感測系統以及結構光感測系統，且可依據實際應用而動態地在飛時測距感測運作與結構光感測運作之間進行切換，大大地提高影像感測系統及其多功能影像感測器的應用範圍及使用上的彈性。
為讓本發明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。
現將詳細參考本發明示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例的實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1是依照本發明一實施例所繪示的影像感測系統的應用情境示意圖，圖2是依照本發明一實施例所繪示的多功能影像感測器的電路方塊示意圖。請合併參照圖1及圖2，影像感測系統100可包括發光模組120以及多功能影像感測器140，但不限於此。發光模組120用以發送光波EL於空間SPC中。光波EL在遭遇到空間SPC中的物體OB之後會反射。多功能影像感測器140則用以感測光波EL於空間SPC中反射後的反射光RL。
在本發明的一實施例中，發光模組120可採用雷射二極體模組、發光二極體模組或其他發光元件來實現，但本發明不限於此。
如圖2所示，多功能影像感測器140可包括像素陣列電路142以及讀出電路144，但本發明不限於此。像素陣列電路142可包括以陣列形式排列的多個像素單元PXU。各像素單元PXU於第一模式下可受控於第一控制信號組TS1以對反射光RL進行飛時測距(time of flight)感測運作，並據以依序地產生多個第一輸出電壓。此外，各像素單元PXU於第二模式下可受控於第二控制信號組TS2以對反射光RL進行結構光(structured light)感測運作，並據以依序地產生多個第二輸出電壓。
讀出電路144耦接像素陣列電路142。讀出電路144於第一模式下可根據各像素單元PXU所產生的此些第一輸出電壓，分別取得對應於飛時測距感測運作的多個第一數位資訊。除此之外，讀出電路144於第二模式下可根據各像素單元PXU所產生的此些第二輸出電壓，分別取得對應於結構光感測運作的多個第二數位資訊。
在本發明的一實施例中，多功能影像感測器140還可選擇性的包括處理電路146。處理電路146耦接讀出電路144。處理電路146於第一模式下可對各像素單元PXU的此些第一數位資訊進行運算，以取得對應於各像素單元PXU的數位像素值。除此之外，處理電路146於第二模式下可對各像素單元PXU的此些第二數位資訊進行運算，以取得對應於各像素單元PXU的數位像素值。在本發明的一實施例中，第一控制信號組TS1及第二控制信號組TS2可由處理電路146提供。
在本發明的另一實施例中，圖2所示的處理電路146也可採用獨立於多功能影像感測器140之外的影像處理裝置來實現。如此一來，多功能影像感測器140則可省略設置處理電路146。
可以理解的是，藉由提供不同的控制信號組(即第一控制信號組TS1及第二控制信號組TS2)至同一像素陣列電路142，可讓像素陣列電路142執行飛時測距感測運作或是結構光感測運作。因此，本發明實施例所提出的多功能影像感測器140不僅可通用於飛時測距感測系統以及結構光感測系統中，且可依據實際應用而動態地在飛時測距感測運作與結構光感測運作之間進行切換，大大地提高多功能影像感測器140的應用範圍及使用上的彈性。
在本發明的一實施例中，讀出電路144可採用現有的讀出電路來實現。舉例來說，讀出電路144可採用具有相關雙重取樣(correlated double sampling circuit，CDS)電路以及類比至數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)的讀出電路來實現，但本發明不限於此，本發明並不對讀出電路144的電路架構加以限制。由於讀出電路的實施方式及運作為本技術領域具有通常知識者所熟悉，故在此不再贅述。
在本發明的一實施例中，處理電路146可以是硬體、韌體或是儲存在記憶體而由微控制器或微處理器所載入執行的軟體或機器可執行程式碼。若是採用硬體來實現，則處理電路146可以是由單一整合電路晶片來實現，也可以由多個電路晶片所完成，但本發明並不以此為限制。上述多個電路晶片或單一整合電路晶片可採用特殊功能積體電路(ASIC)或可程式化邏輯閘陣列(FPGA)或複雜可編程邏輯裝置(CPLD)來實現。而上述記憶體可以是例如隨機存取記憶體、唯讀記憶體或是快閃記憶體等等。
以下說明影像感測系統100及多功能影像感測器140的詳細運作。為了便於說明，以下採用五電晶體(5T)全域快門式(global shutter)的像素單元為範例來進行說明，但本發明不限於此。本發明的像素單元也可採用其他已知的像素電路來實現，本發明並不對像素單元的電路架構加以限制。另外，由於各像素單元的電路架構及運作相同，故以下僅針對其中一個像素單元來進行說明。
圖3是依照本發明一實施例所繪示的像素單元的電路架構及其與讀出電路的耦接示意圖。像素單元PXU可包括光感測器PD、電荷儲存元件SCE、傳輸開關TX1、TX2、重置開關TR1、TR2以及源極追隨電晶體SF。重置開關TR1的第一端耦接重置電源VA。重置開關TR1的控制端用以接收重置控制信號SR1。重置開關TR1的第二端耦接光感測器PD的陰極。光感測器PD的陽極耦接至接地電壓GND。傳輸開關TX1的第一端耦接光感測器PD的陰極。傳輸開關TX1的控制端用以接收傳輸控制信號ST1。傳輸開關TX1的第二端耦接電荷儲存元件SCE。傳輸開關TX2的第一端耦接電荷儲存元件SCE。傳輸開關TX2的控制端用以接收傳輸控制信號ST2。傳輸開關TX2的第二端耦接浮動擴散節點FD。重置開關TR2的第一端耦接重置電源VA。重置開關TR2的控制端用以接收重置控制信號SR2。重置開關TR2的第二端耦接浮動擴散節點FD。源極追隨電晶體SF的第一端耦接重置電源VA。源極追隨電晶體SF的控制端耦接浮動擴散節點FD。源極追隨電晶體SF的第二端用以輸出第一輸出電壓V11~V14或是第二輸出電壓V21、V22。
圖4A至圖4D是依照本發明一實施例所繪示的像素單元於第一模式下進行飛時測距感測運作的信號時序示意圖，其中圖4A至圖4D所繪示的重置控制信號SR1、SR2及傳輸控制信號ST1、ST2為圖2所示的第一控制信號組TS1。請先合併參照圖1、圖2、圖3及圖4A。於圖4A，像素單元PXU執行第(4N+1)個畫面的飛時測距感測運作，其中N為大於或等於零的整數。首先，於圖4A所示的重置階段，可藉由將重置控制信號SR1驅動至邏輯高位準，以導通重置開關TR1，從而重置光感測器PD。此外，可藉由將重置控制信號SR2及傳輸控制信號ST2驅動至邏輯高位準，以導通重置開關TR2及傳輸開關TX2，從而重置浮動擴散節點FD及電荷儲存元件SCE。
於圖4A所示的積分階段，發光模組120依序發送M個脈衝光波EL_1~EL_M於空間SPC，其中M為正整數。此M個脈衝光波EL_1~EL_M於空間SPC中經物體OB反射之後產生M個脈衝反射光RL_1~RL_M，其中脈衝反射光(例如RL_1)與其對應的脈衝光波(例如EL_1)之間具有時間延遲Td。
更進一步來說，於時間點T10至時間點T11之間，發光模組120發送第一個脈衝光波EL_1。此時，傳輸控制信號ST1為邏輯低位準而關斷傳輸開關TX1，且重置控制信號SR1為邏輯高位準而導通重置開關TR1，致使光感測器PD為重置狀態。
接著，於時間點T11至時間點T12之間，第一個脈衝光波EL_1已發送完畢。此時，重置控制信號SR1為邏輯低位準而關斷重置開關TR1，且傳輸控制信號ST1為邏輯高位準而導通傳輸開關TX1，致使像素單元PXU感測第一個脈衝反射光RL_1於此時段內(即時間點T11至時間點T12之間)的信號(下稱第一部份信號)，其中第一個脈衝反射光RL_1的第一部份信號即是第一個脈衝反射光RL_1相對於第一個脈衝光波EL_1的延遲信號。詳細來說，於時間點T11至時間點T12之間，光感測器PD基於第一個脈衝反射光RL_1的第一部份信號而被積分，並將所累積的電荷傳輸至電荷儲存元件SCE。
類似地，於時間點T12至時間點T13之間，發光模組120發送第二個脈衝光波EL_2。此時，傳輸控制信號ST1為邏輯低位準而關斷傳輸開關TX1，且重置控制信號SR1為邏輯高位準而導通重置開關TR1，致使光感測器PD為重置狀態。
接著，於時間點T13至時間點T14之間，第二個脈衝光波EL_2已發送完畢。此時，重置控制信號SR1為邏輯低位準而關斷重置開關TR1，且傳輸控制信號ST1為邏輯高位準而導通傳輸開關TX1，致使像素單元PXU感測第二個脈衝反射光RL_2於此時段內(即時間點T13至時間點T14之間)的信號(下稱第一部份信號)，其中第二個脈衝反射光RL_2的第一部份信號即是第二個脈衝反射光RL_2相對於第二個脈衝光波EL_2的延遲信號。詳細來說，於時間點T13至時間點T14之間，光感測器PD基於第二個脈衝反射光RL_2的第一部份信號而被積分，並將所累積的電荷傳輸至電荷儲存元件SCE。
依此類推，於時間點T16至時間點T17之間，發光模組120發送第M個脈衝光波EL_M。此時，傳輸控制信號ST1為邏輯低位準而關斷傳輸開關TX1，且重置控制信號SR1為邏輯高位準而導通重置開關TR1，致使光感測器PD為重置狀態。
於時間點T17至時間點T18之間，第M個脈衝光波EL_M已發送完畢。此時，重置控制信號SR1為邏輯低位準而關斷重置開關TR1，且傳輸控制信號ST1為邏輯高位準而導通傳輸開關TX1，致使像素單元PXU感測第M個脈衝反射光RL_M於此時段內(即時間點T17至時間點T18之間)的信號(下稱第一部份信號)，其中第M個脈衝反射光RL_M的第一部份信號即是第M個脈衝反射光RL_M相對於第M個脈衝光波EL_M的延遲信號。詳細來說，於時間點T17至時間點T18之間，光感測器PD基於第M個脈衝反射光RL_M的第一部份信號而被積分，並將所累積的電荷傳輸至電荷儲存元件SCE。
在像素單元PXU完成上述第(4N+1)個畫面的M次感測運作之後，可藉由將傳輸控制信號ST2驅動至邏輯高位準，以導通傳輸開關TX2，從而將電荷儲存元件SCE於積分階段所儲存的電荷傳輸至浮動擴散節點FD，並透過源極追隨電晶體SF產生第一輸出電壓V11，其中第一輸出電壓V11乃是對應於反射光RL的第一部份信號。另外，讀出電路144可根據第一輸出電壓V11產生對應的第一數位資訊DI11。
請接著合併參照圖1、圖2、圖3及圖4B。於圖4B，像素單元PXU執行第(4N+2)個畫面的飛時測距感測運作，其中N為大於或等於零的整數。首先，於圖4B所示的重置階段，可藉由將重置控制信號SR1驅動至邏輯高位準，以導通重置開關TR1，從而重置光感測器PD。此外，可藉由將重置控制信號SR2及傳輸控制信號ST2驅動至邏輯高位準，以導通重置開關TR2及傳輸開關TX2，從而重置浮動擴散節點FD及電荷儲存元件SCE。
類似於圖4A所示的積分階段，發光模組120於圖4B所示的積分階段依序發送M個脈衝光波EL_1~EL_M於空間SPC，其中M為正整數。此M個脈衝光波EL_1~EL_M於空間SPC中經物體OB反射之後產生M個脈衝反射光RL_1~RL_M，其中脈衝反射光(例如RL_1)與其對應的脈衝光波(例如EL_1)之間具有時間延遲Td。
更進一步來說，於時間點T10至時間點T11之間，發光模組120發送第一個脈衝光波EL_1。此時，重置控制信號SR1為邏輯低位準而關斷重置開關TR1，且傳輸控制信號ST1為邏輯高位準而導通傳輸開關TX1，致使像素單元PXU感測第一個脈衝反射光RL_1於此時段內(即時間點T10至時間點T11之間)的信號(下稱第二部份信號)。詳細來說，於時間點T10至時間點T11之間，光感測器PD基於第一個脈衝反射光RL_1的第二部份信號而被積分，並將所累積的電荷傳輸至電荷儲存元件SCE。
接著，於時間點T11至時間點T12之間，第一個脈衝光波EL_1已發送完畢。此時，傳輸控制信號ST1為邏輯低位準而關斷傳輸開關TX1，且重置控制信號SR1為邏輯高位準而導通重置開關TR1，致使光感測器PD為重置狀態。
類似地，於時間點T12至時間點T13之間，發光模組120發送第二個脈衝光波EL_2。此時，重置控制信號SR1為邏輯低位準而關斷重置開關TR1，且傳輸控制信號ST1為邏輯高位準而導通傳輸開關TX1，致使像素單元PXU感測第二個脈衝反射光RL_2於此時段內(即時間點T12至時間點T13之間)的信號(下稱第二部份信號)。詳細來說，於時間點T12至時間點T13之間，光感測器PD基於第二個脈衝反射光RL_2的第二部份信號而被積分，並將所累積的電荷傳輸至電荷儲存元件SCE。
接著，於時間點T13至時間點T14之間，第二個脈衝光波EL_2已發送完畢。此時，傳輸控制信號ST1為邏輯低位準而關斷傳輸開關TX1，且重置控制信號SR1為邏輯高位準而導通重置開關TR1，致使光感測器PD為重置狀態。
依此類推，於時間點T16至時間點T17之間，發光模組120發送第M個脈衝光波EL_M。此時，重置控制信號SR1為邏輯低位準而關斷重置開關TR1，且傳輸控制信號ST1為邏輯高位準而導通傳輸開關TX1，致使像素單元PXU感測第M個脈衝反射光RL_M於此時段內(即時間點T16至時間點T17之間)的信號(下稱第二部份信號)。詳細來說，於時間點T16至時間點T17之間，光感測器PD基於第M個脈衝反射光RL_M的第二部份信號而被積分，並將所累積的電荷傳輸至電荷儲存元件SCE。
接著，於時間點T17至時間點T18之間，第M個脈衝光波EL_M已發送完畢。此時，傳輸控制信號ST1為邏輯低位準而關斷傳輸開關TX1，且重置控制信號SR1為邏輯高位準而導通重置開關TR1，致使光感測器PD為重置狀態。
在像素單元PXU完成上述第(4N+2)個畫面的M次感測運作之後，可藉由將傳輸控制信號ST2驅動至邏輯高位準，以導通傳輸開關TX2，從而將電荷儲存元件SCE於積分階段所儲存的電荷傳輸至浮動擴散節點FD，並透過源極追隨電晶體SF產生第一輸出電壓V12，其中第一輸出電壓V12乃是對應於反射光RL的第二部份信號。另外，讀出電路144可根據第一輸出電壓V12產生對應的第一數位資訊DI12。
請接著合併參照圖1、圖2、圖3及圖4C。於圖4C，像素單元PXU執行第(4N+3)個畫面的飛時測距感測運作，其中N為大於或等於零的整數。圖4C所示的第(4N+3)個畫面的飛時測距感測運作類似於圖4A所示的第(4N+1)個畫面的飛時測距感測運作，兩者的差異僅在於：發光模組120於第(4N+3)個畫面的感測運作中並不發送光波EL於空間SPC中，故而亦不會產生反射光RL。因此，相較於像素單元PXU於第(4N+1)個畫面的感測運作中感測反射光RL於一時段內的第一部份信號並據以產生對應的第一輸出電壓V11，像素單元PXU於第(4N+3)個畫面的感測運作中則是感測空間SPC中的背景光(或稱環境光)於同一時段內的第一部份信號，並據以產生對應於背景光的第一部份信號的第一輸出電壓V13。另外，讀出電路144可根據第一輸出電壓V13產生對應的第一數位資訊DI13。
請接著合併參照圖1、圖2、圖3及圖4D。於圖4D，像素單元PXU執行第(4N+4)個畫面的飛時測距感測運作，其中N為大於或等於零的整數。圖4D所示的第(4N+4)個畫面的飛時測距感測運作類似於圖4B所示的第(4N+2)個畫面的飛時測距感測運作，兩者的差異僅在於：發光模組120於第(4N+4)個畫面的感測運作中並不發送光波EL於空間SPC中，故而亦不會產生反射光RL。因此，相較於像素單元PXU於第(4N+2)個畫面的感測運作中感測反射光RL於一時段內的第二部份信號並據以產生對應的第一輸出電壓V12，像素單元PXU於第(4N+4)個畫面的感測運作中則是感測空間SPC中的背景光於同一時段內的第二部份信號，並據以產生對應於背景光的第二部份信號的第一輸出電壓V14。另外，讀出電路144可根據第一輸出電壓V14產生對應的第一數位資訊DI14。
在讀出電路144取得第一數位資訊DI11~DI14之後，處理電路146於第一模式下可對像素單元PXU的第一數位資訊DI11~DI14進行運算，以取得對應於像素單元PXU的數位像素值。更進一步來說，由於空間SPC中存在背景光，因此像素單元PXU在感測反射光RL的同時會感測到空間SPC中的背景光，導致第一數位資訊DI11(DI12)包含了反射光RL的資訊以及背景光的資訊。由於背景光乃是一種雜訊，因此處理電路146可將第一數位資訊DI11減去第一數位資訊DI13，以取得對應於實際的反射光RL的第一部份信號的數位資訊DI1A。同樣地，處理電路146可將第一數位資訊DI12減去第一數位資訊DI14，以取得對應於實際的反射光RL的第二部份信號的數位資訊DI1B。另外，處理電路146於第一模式下可根據數位資訊DI1A及數位資訊DI1B來計算對應於像素單元PXU的數位像素值DPV，其中數位像素值DPV用以表示影像感測系統100與物體OB表面的其中一點之間的距離值。
詳細來說，請參照圖4E，圖4E是依照本發明一實施例所繪示的像素單元於第一模式下進行飛時測距感測運作的脈衝光波與脈衝反射光的時序示意圖，其中脈衝光波EL_1與脈衝反射光RL_1的脈波寬度皆為T，且脈衝反射光RL_1與其對應的脈衝光波EL_1之間具有時間延遲Td。另外，光感測器PD於時間延遲Td中感測脈衝反射光RL_1所累積的電荷量QA乃是對應於數位資訊DI1A，而光感測器PD於時段Tb中感測脈衝反射光RL_1所累積的電荷量QB乃是對應於數位資訊DI1B。電荷量QA、QB以及時段Tb可分別如式(1)~式(3)所示，其中RLI表示脈衝反射光RL_1的光強度。
QA = Td×RLI 式(1)
QB = Tb×RLI 式(2)
T = Tb+Td 式(3)
根據式(1)~式(3)，則可得到式(4)~式(6)。
QA+QB = T×RLI 式(4)
RLI = (QA+QB)÷T 式(5)
Td = QA÷RLI 式(6)
將式(5)代入式(6)可得到式(7)。
Td = QA÷RLI = T×(QA÷(QA+QB)) 式(7)
另外，如圖1所示，時間延遲Td乃是光波於影像感測系統100與物體OB表面的其中一點之間的往返時間，因此影像感測系統100與物體OB表面的其中一點之間的距離值DR可根據式(8)來決定，其中式(8)中的C表示光速。
DR = C×(Td÷2) = C×T×(QA÷(QA+QB))÷2 = C×T×(DI1A÷(DI1A+DI1B))÷2 式(8)
在本發明的一實施例中，為了提高多功能影像感測器140於第一模式(即飛時測距感測運作)的靈敏度，處理電路146可將像素陣列電路142劃分為多個像素群，其中此些像素群中的每一者包括至少兩個相鄰的像素單元。處理電路146可將各像素群中的像素單元所對應的數位像素值相加，以產生並輸出對應於此像素群的一合併後像素值。如此雖會降低多功能影像感測器140於第一模式下的解析度(導因於像素值合併)，但可有效提高其靈敏度。
圖5A及圖5B是依照本發明一實施例所繪示的像素單元於第二模式下進行結構光感測運作的信號時序示意圖，其中圖5A及圖5B所繪示的重置控制信號SR1、SR2及傳輸控制信號ST1、ST2為圖2所示的第二控制信號組TS2。請先合併參照圖1、圖2、圖3及圖5A。於圖5A，像素單元PXU執行第(2N+1)個畫面的結構光感測運作，其中N為大於或等於零的整數。首先，發光模組120於時間點T20開始發送光波EL於空間SPC中，且光波EL於空間SPC中經物體OB反射之後產生反射光RL。
在圖5A所示的重置階段，可藉由將重置控制信號SR1驅動至邏輯高位準，以導通重置開關TR1，從而重置光感測器PD。此外，可藉由將重置控制信號SR2及傳輸控制信號ST2驅動至邏輯高位準，以導通重置開關TR2及傳輸開關TX2，從而重置浮動擴散節點FD及電荷儲存元件SCE。
接著，像素單元PXU於時間點T27進入積分階段。此時，重置控制信號SR1、SR2以及傳輸控制信號ST1、ST2皆為邏輯低位準，致使重置開關TR1、TR2以及傳輸開關TX1、TX2為關斷狀態，並讓像素單元PXU感測反射光RL。詳細來說，於積分階段，光感測器PD基於反射光RL而被積分。
於時間點T28，傳輸控制信號ST1切換至邏輯高位準以導通傳輸開關TX1，致使光感測器PD所累積的電荷傳輸至電荷儲存元件SCE。之後，於時間點T29，發光模組120停止發送光波EL，且傳輸控制信號ST1切換至邏輯低位準而關斷傳輸開關TX1。
在像素單元PXU完成上述第(2N+1)個畫面的感測運作之後，可藉由將傳輸控制信號ST2驅動至邏輯高位準，以導通傳輸開關TX2，從而將電荷儲存元件SCE於積分階段所儲存的電荷傳輸至浮動擴散節點FD，並透過源極追隨電晶體SF產生對應於反射光RL的第二輸出電壓V21。另外，讀出電路144可根據第二輸出電壓V21產生對應的第二數位資訊DI21。
請接著合併參照圖1、圖2、圖3及圖5B。於圖5B，像素單元PXU執行第(2N+2)個畫面的結構光感測運作，其中N為大於或等於零的整數。圖5B所示的第(2N+2)個畫面的結構光感測運作類似於圖5A所示的第(2N+1)個畫面的結構光感測運作，兩者的差異僅在於：發光模組120於第(2N+2)個畫面的感測運作中並不發送光波EL於空間SPC中，故而亦不會產生反射光RL。因此，相較於像素單元PXU於第(2N+1)個畫面的感測運作中感測反射光RL並據以產生對應的第二輸出電壓V21，像素單元PXU於第(2N+2)個畫面的感測運作中則是感測空間SPC中的背景光(或稱環境光)，並據以產生對應於背景光的第二輸出電壓V22。另外，讀出電路144可根據第二輸出電壓V22產生對應的第二數位資訊DI22。
在讀出電路144取得第二數位資訊DI21、DI22之後，處理電路146於第二模式下可對像素單元PXU的第二數位資訊DI21、DI22進行運算，以取得對應於像素單元PXU的數位像素值。更進一步來說，由於空間SPC中存在背景光，因此像素單元PXU在感測反射光RL的同時會感測到空間SPC中的背景光，導致第二數位資訊DI21包含了反射光RL的資訊以及背景光的資訊。由於背景光乃是一種雜訊，因此處理電路146可將第二數位資訊DI21減去第二數位資訊DI22，以取得實際的數位像素值。
綜上所述，在本發明實施例所提出的影像感測系統及其多功能影像感測器中，像素陣列電路可根據不同的控制信號組(即第一控制信號組及第二控制信號組)執行飛時測距感測運作或是結構光感測運作。因此，本發明實施例所提出的多功能影像感測器不僅通用於飛時測距感測系統以及結構光感測系統，且可依據實際應用而動態地在飛時測距感測運作與結構光感測運作之間進行切換，大大地提高影像感測系統及其多功能影像感測器的應用範圍及使用上的彈性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧影像感測系統 120‧‧‧發光模組 140‧‧‧多功能影像感測器 142‧‧‧像素陣列電路 144‧‧‧讀出電路 146‧‧‧處理電路 DI11、DI12、DI13、DI14‧‧‧第一數位資訊 DI21、DI22‧‧‧第二數位資訊 EL‧‧‧光波 EL_1~EL_M‧‧‧脈衝光波 FD‧‧‧浮動擴散節點 GND‧‧‧接地電壓 OB‧‧‧物體 PD‧‧‧光感測器 PXU‧‧‧像素單元 QA、QB‧‧‧電荷量 RL‧‧‧反射光 RL_1~RL_M‧‧‧脈衝反射光 SCE‧‧‧電荷儲存元件 SF‧‧‧源極追隨電晶體 SPC‧‧‧空間 SR1、SR2‧‧‧重置控制信號 ST1、ST2‧‧‧傳輸控制信號 T‧‧‧脈波寬度T10~T18、T20、T27~T29‧‧‧時間點 Tb‧‧‧時段 Td‧‧‧時間延遲 TR1、TR2‧‧‧重置開關 TS1‧‧‧第一控制信號組 TS2‧‧‧第二控制信號組 TX1、TX2‧‧‧傳輸開關 V11、V12、V13、V14‧‧‧第一輸出電壓 V21、V22‧‧‧第二輸出電壓 VA‧‧‧重置電源
圖1是依照本發明一實施例所繪示的影像感測系統的應用情境示意圖。 圖2是依照本發明一實施例所繪示的多功能影像感測器的電路方塊示意圖。 圖3是依照本發明一實施例所繪示的像素單元的電路架構及其與讀出電路的耦接示意圖。 圖4A至圖4D是依照本發明一實施例所繪示的像素單元於第一模式下進行飛時測距感測運作的信號時序示意圖。 圖4E是依照本發明一實施例所繪示的像素單元於第一模式下進行飛時測距感測運作的脈衝光波與脈衝反射光的時序示意圖。 圖5A及圖5B是依照本發明一實施例所繪示的像素單元於第二模式下進行結構光感測運作的信號時序示意圖。
100‧‧‧影像感測系統
120‧‧‧發光模組
140‧‧‧多功能影像感測器
EL‧‧‧光波
OB‧‧‧物體
RL‧‧‧反射光
SPC‧‧‧空間

Claims (14)

  1. 一種影像感測系統，包括：一發光模組，用以發送一光波於一空間中；以及一多功能影像感測器，用以感測該光波於該空間中反射後的一反射光，其中該多功能影像感測器包括：一像素陣列電路，包括多個像素單元，其中該些像素單元中的每一者於一第一模式下受控於一第一控制信號組以對該反射光進行一飛時測距(time of flight)感測運作，並據以依序產生多個第一輸出電壓，且該些像素單元中的每一者於一第二模式下受控於一第二控制信號組以對該反射光進行一結構光(structured light)感測運作，並據以依序產生多個第二輸出電壓；一讀出電路，耦接該像素陣列電路，用以於該第一模式下根據該些像素單元中的每一者所產生的該些第一輸出電壓分別取得對應於該飛時測距感測運作的多個第一數位資訊，且用以於該第二模式下根據該些像素單元中的每一者所產生的該些第二輸出電壓分別取得對應於該結構光感測運作的多個第二數位資訊；以及一處理電路，耦接該讀出電路，用以對該些像素單元中的每一者的數位資訊進行運算，以取得對應於該像素單元的一數位像素值，其中該些像素單元中的每一者包括光感測器、電荷儲存元件、第一傳輸開關、第二傳輸開關、第一重置開關、第二重置 開關以及源極追隨電晶體，所述第一重置開關的第一端耦接重置電源，所述第一重置開關的第二端耦接所述光感測器的陰極，所述光感測器的陽極耦接至接地電壓，所述第一傳輸開關的第一端耦接所述光感測器的陰極，所述第一傳輸開關的第二端耦接所述電荷儲存元件，所述第二傳輸開關的第一端耦接所述電荷儲存元件，所述第二傳輸開關的第二端耦接浮動擴散節點，所述第二重置開關的第一端耦接所述重置電源，所述第二重置開關的第二端耦接所述浮動擴散節點，所述源極追隨電晶體的第一端耦接所述重置電源，所述源極追隨電晶體的控制端耦接所述浮動擴散節點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測系統，其中在該第一模式下：該發光模組於第(4N+1)個畫面及第(4N+2)個畫面的感測運作中發送該光波於該空間中；以及該些像素單元中的每一者於該第(4N+1)個畫面的感測運作中感測該反射光於一第一時段內的一第一部份信號，並據以產生對應於該反射光的該第一部份信號的該第一輸出電壓，且該些像素單元中的每一者於該第(4N+2)個畫面的感測運作中感測該反射光於一第二時段內的一第二部份信號，並據以產生對應於該反射光的該第二部份信號的該第一輸出電壓，其中N為大於或等於零的整數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的影像感測系統，其中在該第一模式下： 該發光模組於第(4N+3)個畫面及第(4N+4)個畫面的感測運作中不發送該光波於該空間中；以及該些像素單元中的每一者於該第(4N+3)個畫面的感測運作中感測該空間中的一背景光於該第一時段內的一第一部份信號，並據以產生對應於該背景光的該第一部份信號的該第一輸出電壓，且該些像素單元中的每一者於該第(4N+4)個畫面的感測運作中感測該背景光於該第二時段內的一第二部份信號，並據以產生對應於該背景光的該第二部份信號的該第一輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的影像感測系統，其中該處理電路用以於該第一模式下對該些像素單元中的每一者的該些第一數位資訊進行運算，以取得對應於該像素單元的該數位像素值，其中該些第一數位資訊分別對應於該第(4N+1)個畫面至該第(4N+4)個畫面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的影像感測系統，其中在該第一模式下：該像素陣列電路被劃分為多個像素群，且該些像素群中的每一者包括至少兩個相鄰的像素單元，其中該處理電路於該第一模式下將各該像素群中的該至少兩個相鄰的像素單元所對應的該數位像素值相加，以產生並輸出對應於該像素群的一合併後像素值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的影像感測系統，其中在該第二模式下： 該發光模組於第(2N+1)個畫面的感測運作中發送該光波於該空間中，且該些像素單元中的每一者於該第(2N+1)個畫面的感測運作中感測該反射光，並據以產生對應於該反射光的該第二輸出電壓；以及該發光模組於第(2N+2)個畫面的感測運作中不發送該光波於該空間中，且該些像素單元中的每一者於該第(2N+2)個畫面的感測運作中感測該空間中的一背景光，並據以產生對應於該背景光的該第二輸出電壓，其中N為大於或等於零的整數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的影像感測系統，其中該處理電路用以於該第二模式下對該些像素單元中的每一者的該些第二數位資訊進行運算，以取得對應於該像素單元的該數位像素值，其中該些第二數位資訊分別對應於該第(2N+1)個畫面與該第(2N+2)個畫面。
  8. 一種多功能影像感測器，用於感測一光波於一空間中反射後的一反射光，該多功能影像感測器包括：一像素陣列電路，包括多個像素單元，其中該些像素單元中的每一者於一第一模式下受控於一第一控制信號組以對該反射光進行一飛時測距(time of flight)感測運作，並據以依序產生多個第一輸出電壓，且該些像素單元中的每一者於一第二模式下受控於一第二控制信號組以對該反射光進行一結構光(structured light)感測運作，並據以依序產生多個第二輸出電壓；一讀出電路，耦接該像素陣列電路，用以於該第一模式下根 據該些像素單元中的每一者所產生的該些第一輸出電壓分別取得對應於該飛時測距感測運作的多個第一數位資訊，且用以於該第二模式下根據該些像素單元中的每一者所產生的該些第二輸出電壓分別取得對應於該結構光感測運作的多個第二數位資訊；以及一處理電路，耦接該讀出電路，用以對該些像素單元中的每一者的數位資訊進行運算，以取得對應於該像素單元的一數位像素值，其中該些像素單元中的每一者包括光感測器、電荷儲存元件、第一傳輸開關、第二傳輸開關、第一重置開關、第二重置開關以及源極追隨電晶體，所述第一重置開關的第一端耦接重置電源，所述第一重置開關的第二端耦接所述光感測器的陰極，所述光感測器的陽極耦接至接地電壓，所述第一傳輸開關的第一端耦接所述光感測器的陰極，所述第一傳輸開關的第二端耦接所述電荷儲存元件，所述第二傳輸開關的第一端耦接所述電荷儲存元件，所述第二傳輸開關的第二端耦接浮動擴散節點，所述第二重置開關的第一端耦接所述重置電源，所述第二重置開關的第二端耦接所述浮動擴散節點，所述源極追隨電晶體的第一端耦接所述重置電源，所述源極追隨電晶體的控制端耦接所述浮動擴散節點。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的多功能影像感測器，其中在該第一模式下：該些像素單元中的每一者於第(4N+1)個畫面的感測運作中感測該反射光於一第一時段內的一第一部份信號，並據以產生對應 於該反射光的該第一部份信號的該第一輸出電壓，且該些像素單元中的每一者於第(4N+2)個畫面的感測運作中感測該反射光於一第二時段內的一第二部份信號，並據以產生對應於該反射光的該第二部份信號的該第一輸出電壓，其中N為大於或等於零的整數。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的多功能影像感測器，其中在該第一模式下：該些像素單元中的每一者於第(4N+3)個畫面的感測運作中感測該空間中的一背景光於該第一時段內的一第一部份信號，並據以產生對應於該背景光的該第一部份信號的該第一輸出電壓，且該些像素單元中的每一者於第(4N+4)個畫面的感測運作中感測該背景光於該第二時段內的一第二部份信號，並據以產生對應於該背景光的該第二部份信號的該第一輸出電壓。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的多功能影像感測器，其中該處理電路用以於該第一模式下對該些像素單元中的每一者的該些第一數位資訊進行運算，以取得對應於該像素單元的該數位像素值，其中該些第一數位資訊分別對應於該第(4N+1)個畫面至該第(4N+4)個畫面。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的多功能影像感測器，其中在該第一模式下：該像素陣列電路被劃分為多個像素群，且該些像素群中的每一者包括至少兩個相鄰的像素單元，其中該處理電路於該第一模式下將各該像素群中的該至少兩 個相鄰的像素單元所對應的該數位像素值相加，以產生並輸出對應於該像素群的一合併後像素值。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的多功能影像感測器，其中在該第二模式下：該些像素單元中的每一者於第(2N+1)個畫面的感測運作中感測該反射光，並據以產生對應於該反射光的該第二輸出電壓，且該些像素單元中的每一者於第(2N+2)個畫面的感測運作中感測該空間中的一背景光，並據以產生對應於該背景光的該第二輸出電壓，其中N為大於或等於零的整數。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的多功能影像感測器，其中該處理電路用以於該第二模式下對該些像素單元中的每一者的該些第二數位資訊進行運算，以取得對應於該像素單元的該數位像素值，其中該些第二數位資訊分別對應於該第(2N+1)個畫面與該第(2N+2)個畫面。
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