具杂讯抑制改善设计之高解析、高灵敏度影像扫描器

摘要

本发明系一种接触式影像感测(CIS)系统，其具有高解析度、高灵敏度、低杂讯、低功率消耗以及低扫描成本等功效，本发明具有CIS像素结构，其系将一接面感光二极体作为一侦测单元，并将一单级、高增益、低功率之反相器作为一电荷积存放大器，此反相器将感光二极体箝制于一固定的偏压，并移动(removes)任何入射光所造成之讯号电荷，此积存反相放大器上更利用一极小之积存电容以获得高像素增益，且该像素结构包含一杂讯抑制电路以消除积存电容之重设杂讯，而像素讯号系由一差级电路加以读取以消除暗补偿(darkoffset)现象，另此像素结构可使用低成本之标准CMOS制程以实作出高性能之CIS阵列，再者，本发明亦能使用一具有高灵敏度及扫描速率之低解析度阵列，藉此让使用者能控制阵列之解析度，而藉由采用一交错阵列结构能使此阵列在较小的晶片尺寸下，即具有高灵敏度(三倍于先前技术之阵列)，此交错阵列可利用一后端(trailing-edge)CMOS制程以制造，其成本较传统连续阵列为低，此外，该交错阵列结构更可提供一使用者控制之多解析度扫描系统。

主权项

1.一种接触式影像感测器,其包含: 一反相器; 至少一感光二极体侦测器,其系作为扫描光感测元 件; 一积存电容; 一AC耦合结构;以及 包含至少一输出源极随耦电路之影像输出装置,而 其中该反相器系一低功率、高增益、单级反相器, 其作为一积存放大器以将该光感测元件箝制于一 固定偏压,另该积存电容具有一电容値,其远小于 该感光二极体侦测器之等效电容,该积存电容系用 来提供一像素增益,又该AC耦合结构储存并消除该 积存电容之重设杂讯,藉此可实作出一具有最小杂 讯之高灵敏度感测器。 2.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其中该积存电容之电容値至少小于该感光二极体 侦测器之等效电容10倍。 3.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其更包含一闩锁(cross-bar)输出结构以消除每一像 素之偏移电压,其由一对该输出源极随耦电路之临 界电压漂移所引致。 4.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其中该感光二极体侦测器系一n-p接面感光二极体 。 5.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其中该感光二极体侦测器系一p-n接面感光二极体 。 6.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其中该反相器包含至少二电晶体与至少一偏压电 压,该电晶体其中之一系作为一电流源,且另一该 电晶体系叠接电晶体,其用以增加增益以及隔绝输 入与输出节点。 7.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其更使用一负载电容以减少该反相器之频宽,藉此 降低热杂讯准位(level)。 8.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其中该影像输出装置包含一闩锁(cross-bar)电路,其 包括至少三电晶体,藉以重设该扫描电路之保持电 容,并消除每一像素之暗补偿(dark offset)。 9.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器, 其中该接触式影像感测器之每一像素电路系由二 侦测器接收输入讯号,藉此提供一具有高灵敏度与 较短扫描时间之较低解析度阵列。 10.如申请专利范围第1项所述之接触式影像感测器 ,其中该扫描光感测元件系一交错阵列结构,其包 含至少二线性阵列,该线性阵列在扫瞄方向相隔一 个线距,而在阵列方向偏移半个像素距离,每一该 线性阵列具有一半所需之解析度,该线性阵列组对 以达到该所需之解析度,藉此提供较高灵敏度及较 低成本。 11.如申请专利范围第10项所述之接触式影像感测 器,其中该线性阵列共用输出处理电路,其包括一 数位扫描暂存器、IS与IR电流源、OS与OR共用影像 线路与后级差动放大级,藉此提供较小尺寸之感测 晶片、较低功率消耗及较快扫描速度。 12.如申请专利范围第10项所述之接触式影像感测 器,其中该接触式影像感测器之每一像素电路系由 至少二侦测器接收输入讯号,藉此提供一具有较高 灵敏度与较短扫描时间之低解析度阵列。 13.如申请专利范围第10项所述之接触式影像感测 器,其中该扫描光感测元件包含至少二线性阵列, 每一该线性阵列可选择性地停止作用,以提供该接 触式影像感测器复数种解析度设定。 14.一种接触式影像感测器,其包含: 一反相器; 至少一感光二极体侦测器,其系作为扫描光感测元 件; 一积存电容; 一AC耦合结构;以及 包含至少一输出源极随耦电路之影像输出装置,而 其中该扫描光感测元件系一交错阵列结构,其包含 至少二线性阵列,该线性阵列在扫瞄方向相隔一个 线距,而在阵列方向偏移半个像素距离,每一该线 性阵列具有一半所需之解析度,该线性阵列组对以 达到该所需之解析度,藉此提供较高灵敏度及较低 成本。 15.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该线性阵列共用输出处理电路,其包括一 数位扫描暂存器、IS与IR电流源、OS与OR共用影像 线路与后级差动放大级,藉此提供较小尺寸之感测 晶片、较低功率消耗及较快扫描速度。 16.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该接触式影像感测器之每一像素电路由至 少二侦测器接收输入讯号,藉此提供一具有较高灵 敏度与较短扫描时间之低解析度阵列。 17.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该扫描光感测元件包含至少二线性阵列, 每一该线性阵列可选择性地停止作用,以提供该接 触式影像感测器复数种解析度设定。 18.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该反相器系一低功率、高增益、单级反相 器,其作为一积存放大器以将该光感测元件箝制于 一固定偏压,而该积存电容具有一电容値,其远小 于该感光二极体侦测器之等效电容,该积存电容系 用来提供一像素增益,另该AC耦合结构储存并消除 该积存电容之重设杂讯,藉此可实作出一具有最小 杂讯之高灵敏度感测器。 19.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该积存电容之电容値至少小于该感光二极 体侦测器之等效电容10倍。 20.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其更包含一闩锁(cross-bar)输出结构以消除每一 像素之偏移电压,其由一对该输出源极随耦电路之 临界电压漂移所引致。 21.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该感光二极体侦测器系一n-p接面感光二极 体。 22.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该感光二极体侦测器系一p-n接面感光二极 体。 23.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该反相器包含至少二电晶体与至少一偏压 电压,该电晶体其中之一系作为一电流源,且另一 该电晶体系叠接电晶体,其用以增加增益以及隔绝 输入与输出节点。 24.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其更使用一负载电容以减少该反相器之频宽, 藉此降低热杂讯准位(level)。 25.如申请专利范围第14项所述之接触式影像感测 器,其中该影像输出装置包含一闩锁(cross-bar)电路, 其包括至少三电晶体,藉以重设该扫描电路之保持 电容,并消除每一像素之暗补偿(dark offset)。 26.一种CIS扫描电路感测元件,其包含: 一交错阵列结构,其包含至少二线性阵列,该线性 阵列在扫瞄方向相隔一个线距,而在阵列方向偏移 半个像素距离,每一该线性阵列具有一半所需之解 析度,该线性阵列组对以达到该所需之解析度,藉 此提供较高灵敏度及较低成本。 27.如申请专利范围第26项所述之CIS扫描电路感测 元件,其中该线性阵列共用输出处理电路,其包括 一数位扫描暂存器、IS与IR电流源、OS与OR共用影 像线路与后级差动放大级,藉此提供较小尺寸之感 测晶片、较低功率消耗及较快扫描速度。 28.如申请专利范围第26项所述之CIS扫描电路感测 元件,其中该CIS扫描电路感测元件之每一像素电路 由至少二侦测器接收输入讯号,藉此提供一具有较 高灵敏度与较短扫描时间之低解析度阵列。 29.如申请专利范围第26项所述之CIS扫描电路感测 元件,其中该扫描光感测元件包含至少二线性阵列 ,每一该线性阵列可选择性地停止作用,以提供该 CIS扫描电路感测元件复数种解析度设定。 图式简单说明: 第一图为习知CCD扫描装置示意图。 第二图为习知接触式影像感测器示意图。 第三图为第二图之剖面示意图。 第四图为习知CIS扫描装置之方块示意图。 第五图为习知CIS扫描装置之复合感测晶片方块示 意图。 第六图为习知复合感测阵列之单晶片的排列示意 图。 第七图显示习知阵列中npn光电转换器布局( deployment)示意图。 第八图显示习知APS CIS阵列之CIS像素与源极随耦器 读取电路示意图。 第九A图显示习知APS CIS阵列(如第八图所示)在非CDS 操作模式下的时序图及影像讯号。 第九B图显示习知APS CIS阵列(如第八图所示)于真实 CDS操作模式时的时序图及影像讯号。 第十图显示习知利用一操作放大器之电荷积存电 路。 第十一A图显示本发明阵列扫描器之CIS像素及读取 电路图。 第十一B图显示时脉、扫描数位移位暂存器之输出 、影像讯号输出及其他控制本发明CIS阵列扫描器( 如第十一A图所示)之时序脉波。 第十二图显示本发明反相器之较佳实施例。 第十三A图为本发明CIS扫描器在正常解析度下之实 施例方块示意图。 第十三B图为本发明将正常解析度之阵列扫描器转 换为解析度减半但灵敏度加倍之阵列扫描器的示 意图。 第十四A图显示习知具有连续线性结构侦测CIS感测 晶片的超高解析度、2400-dpi感光二极体阵列。 第十四B图显示本发明可达到2400-dpi解析度且具有 更高灵敏度与扫描速率之交错阵列结构。 第十五A图显示本发明交错阵列之三连续扫描位址 。 第十五B图显示本发明三连续扫描位址(如第十五A 图所示)之三影像输出。 第十五C图说明第十五B图中读取之影像藉由二扫 描线记忆位址而重新建构至一连续性的扫描线中 。