Патент на изобретение №2352080

(54) СПОСОБ РАБОТЫ МОДУЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к работе модуля формирования сигнала изображения и устройства для формирования сигнала изображения. Модуль формирования сигнала изображения содержит фотозатвор, фотодиод, скомпонованный с фотозатвором (212), и первый переключатель (M1). Один вывод первого переключателя соединен с опорным напряжением (Vcc), a другой вывод – с фотодиодом (212). Способ работы модуля формирования сигнала изображения предусматривает следующие этапы: (а) приложение первого напряжения к фотозатвору, (b) включение первого переключателя, (с) выключение первого переключателя в первое время, (d) освещение фотодиода светом, (е) прекращение приложения напряжения к фотозатвору во второе время, (f) приложение второго напряжения в третье время и (д) поддержание выключенного состояния первого переключателя до четвертого времени. Способ работы модуля формирования сигнала изображения дает возможность устройству для формирования сигнала изображения увеличить его динамический диапазон. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к работе модуля формирования сигнала изображения и устройству для формирования сигнала изображения на его основе. Более конкретно, настоящее изобретение относится к работе модуля формирования сигнала изображения и устройству для формирования сигнала изображения на его основе, способного к увеличению динамического диапазона модулей формирования сигнала изображения.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Все больше и больше появляется электронных изделий с встроенными функциями фотокамеры, например мобильные телефоны, персональные цифровые секретари и игрушки. С быстрым развитием электронной технологии формирователи сигнала изображения постепенно заменили традиционные (фото) пленки и основные элементы восприятия изображения. Задачей формирователей сигнала изображения является преобразование световых сигналов в электронные сигналы. В настоящее время множество формирователей сигнала изображения, имеющееся на рынке, использует встроенные фотодиоды для захвата световых сигналов.

На фиг.1 приведена принципиальная схема стандартного формирователя сигнала изображения. Как следует из фиг.1, формирователь 100 изображения содержит опорное напряжение Vcc, фотодиод 120, первый переключатель 130, истоковый повторитель 140, второй переключатель 180 и запоминающую схему 160. Первый переключатель 130, истоковый повторитель 140 и второй переключатель 180 могут быть транзисторами. Фотодиод 120 и истоковый повторитель 140 оба электрически соединены с первым переключателем 130, и фотодиод 120, и истоковый повторитель 140 оба соединены с опорным напряжением Vcc. Первый переключатель 130 расположен между диодом 120 и опорным напряжением Vcc. Кроме того, затвор истокового повторителя 140 электрически соединен между первым переключателем 130 и фотодиодом 120. Запоминающую схему 160 формирователя сигнала изображения используют для записи изменения выходного напряжения V_out второго переключателя, которое пропорционально величине напряжения затвора истокового повторителя 140. Ниже подробно описан процесс работы формирователя 100 изображения.

На фиг.2 схематически иллюстрируется изменение выходного напряжения, показанного на фиг.1, в рабочем цикле формирователя сигнала изображения. Как показано на фиг.1 и фиг.2, как только начинается рабочий цикл, включается переключатель 130. Напряжение V₁ фотодиода 120 и величина напряжения истокового повторителя 140 будут равны опорному напряжению V_cc. Затем переключатель 120 выключают в первое время T₁ и внешний свет 150 облучает (освещает) фотодиод 120 через линзы (не показано). Вследствие освещения света 150 фотодиодом 120 генерируется фототок и по этой причине напряжение V₁ фотодиода понижается. Следовательно, напряжение затвора истокового повторителя 140 уменьшается тоже. Между тем, выходное напряжение V_out изменяется в соответствии с изменением напряжения затвора истокового повторителя 140. Позднее, во второе время Т₂, снова включают переключатель для начала нового цикла. Выходное напряжение первого времени T₁ и выходное напряжение второго времени Т₂ записывают с помощью запоминающей схемы 160 и благодаря изменению разности между ними формирователь изображения может определять силу внешнего света 150.

Из приведенных фиг.1 и фиг.2, можно видеть, что чем больше сила внешнего света 150, тем быстрее уменьшается выходное напряжение V_out. Когда выходное напряжение V_out падает до нуля перед вторым временем Т₂, формирователь 100 изображения не способен определять силу внешнего света 150. Следовательно, имеется предел динамического диапазона для формирователя 100 изображения (Динамический диапазон = максимальная сила света, детектируемая формирователем изображения/минимальная сила света, детектируемая формирователем изображения).

СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает способ работы модуля формирования сигнала изображения для увеличения его динамического диапазона и чувствительности.

Настоящее изобретение также обеспечивает получение устройства для формирования сигнала изображения для увеличения динамического диапазона и чувствительности модулей формирования сигнала изображения.

Настоящее изобретение обеспечивает способ работы модуля формирования сигнала изображения. Модуль формирования сигнала изображения содержит фотозатвор, фотодиод, скомпонованный с фотозатвором, и первый переключатель. Один вывод первого переключателя соединен с опорным напряжением, а другой вывод – с фотодиодом. Способ работы модуля формирования сигнала изображения предусматривает следующие этапы: (а) приложение первого напряжения к фотозатвору, (b) включение первого переключателя, (с) выключение первого переключателя в первое время, (а) освещение фотодиода светом, (е) уменьшение напряжения, прикладываемого к фотозатвору, во второе время, (f) увеличение напряжения, прикладываемого к фотозатвору, в третье время и (g) поддержание выключенного состояния первого переключателя впредь до четвертого времени.

Настоящее изобретение обеспечивает также получение устройства для формирования сигнала изображения, содержащего модуль формирования сигнала изображения и схему управления. Модуль формирования сигнала изображения содержит фотозатвор, фотодиод, первый переключатель, истоковый повторитель и второй переключатель. Фотодиод и фотозатвор скомпонованы вместе. Первый вывод первого переключателя соединен с опорным напряжением, а второй вывод первого переключателя соединен с одним выводом фотодиода. Первый вывод истокового повторителя соединен с опорным напряжением, а управляющий вывод истокового повторителя соединен с другим выводом фотодиода. Первый вывод второго переключателя соединен со вторым выводом истокового повторителя, а второй вывод второго переключателя обеспечивает выход одного выходного напряжения.

Схема управления устройства для формирования сигнала изображения соединена с модулем формирования сигнала изображения. Величина первого напряжения прикладывается схемой управления к фотозатвору и включается первый переключатель. Затем первый переключатель выключается в первое время. После этого фотодиод может быть облучен (освещен) светом. Затем первое напряжение, приложенное к фотозатвору, прерывается во второе время. Второе напряжение позднее прикладывается к фотозатвору в третье время. Первый переключатель также сохраняет выключенное состояние впредь до четвертого времени. Между тем, второй переключатель включается для обеспечения выхода выходного напряжения.

В общем, в способе работы модуля формирования сигнала изображения и устройства для формирования сигнала изображения при его использовании, соответствующих настоящему изобретению, вследствие этапов остановки приложения первого напряжения к фотодиоду и приложения второго напряжения к фотозатвору в третье время емкость электрического заряда может быть увеличена и может быть увеличено выходное напряжение. В соответствии с этим может быть увеличен динамический диапазон модуля формирования сигнала изображения.

Должно быть очевидным, что в вышеприведенном общем описании и следующем подробном описании описаны только характерные примеры для обеспечения дополнительного объяснения заявляемого изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сопроводительные чертежи, включенные в эту заявку, обеспечивают дополнительное понимание настоящего изобретения и образуют неотъемлемую часть описания. Сопроводительные чертежи иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов настоящего изобретения.

Фиг.1 – схематическая иллюстрация принципиальной схемы стандартного формирователя сигнала изображения.

Фиг.2 – схематическая иллюстрация изменения выходного напряжения в рабочем цикле формирователя сигнала изображения.

Фиг.3 – схематическая иллюстрация устройства формирователя сигнала изображения, соответствующего одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 – иллюстрация, показывающая зависимость напряжения RST возврата в исходное состояние от времени и зависимость от времени PG напряжения.

Фиг.5 – иллюстрация зависимости выходного напряжения от времени при различных значениях силы света для одного варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 – схематическая иллюстрация кармана потенциальной энергии фотодиода.

Фиг.7 – схематическая иллюстрация того, как динамический диапазон формирователя сигнала изображения модулируется благодаря изменению разности между третьим временем и четвертым временем.

Фиг.8 – схематическая иллюстрация того, как динамический диапазон формирователя сигнала изображения модулируется благодаря изменению напряжения, прикладываемого к фотодиоду.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.3 приведена схематическая иллюстрация устройства для формирования сигнала изображения, соответствующего одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как следует из фиг.3, устройство 200 для формирования сигнала изображения содержит модуль 210 формирования сигнала изображения, схему 220 управления и запоминающую схему 230. Модуль 210 формирования сигнала изображения содержит фотозатвор PG, фотодиод 212, первый переключатель М1, истоковый повторитель М2 и второй переключатель М3. Например, фотодиод может иметь структуру металл-оксид-полупроводник, скомпонованную с фотозатвором PG, и, таким образом, два вывода фотодиода 212 расположены на двух сторонах фотозатвора, соответственно. Первый вывод М1а первого переключателя М1 соединен с опорным напряжением Vcc, а второй вывод M1b первого переключателя М1 соединен с одним выводом фотодиода 212. Первый вывод М2а истокового повторителя М2 соединен с опорным напряжением Vcc, а управляющий вывод М2 с истокового повторителя М2 соединен с другим выводом фотодиода 212. Первый вывод М3а второго переключателя М3 соединен со вторым выводом M2b истокового повторителя М2, а второй вывод M3b второго переключателя М3 обеспечивает выход выходного напряжения V_out. Необходимо отметить, что первый переключатель М1, истоковый повторитель М2 и второй переключатель М3 могут быть, например, транзисторами.

На фиг.4 приведена иллюстрация, показывающая зависимость напряжения RST возврата в исходное состояние от времени и зависимость между напряжением PG и временем. Как следует из фиг.3 и фиг.4, схема 220 управления устройства 200 для формирования сигнала изображения соединена с модулем 210 формирования сигнала изображения. Первое напряжение V1 прикладывается к фотозатвору PG схемой 220 управления. Затем схема 220 управления прикладывает напряжение V_RST возврата в исходное состояние к управляющему выводу RST первого переключателя М1 для включения первого переключателя М1. А затем подача напряжения V_RST прекращается для выключения первого переключателя М1 в первое время t1. Между тем, запоминающая схема 230 записывает величину V_out выходного напряжения первого времени t1. Позднее внешний свет (не показан) начинает освещать фотодиод 212 и в соответствии с этим величина V_out выходного напряжения начинает уменьшаться. Схема 220 управления прекращает приложение первого напряжения V1 к фотозатвору PG во второе время t2, а позднее схема 220 управления прикладывает второе напряжение V2 к фотозатвору PG в третье время t3. Второе напряжение V2 по существу равно первому напряжению V1, но первое напряжение V1 и второе напряжение V2 могут быть равны или неравны Vcc. Схема управления поддерживает выключенное состояние первого переключателя М1 вплоть до четвертого времени t4, а между тем схема 220 управления включает второй переключатель М3 для обеспечения выхода выходного напряжения V_out, тогда как запоминающая схема 230 записывает выходное напряжение V_out времени t4. Благодаря использованию разности между выходным напряжением V_out времени t1 и выходным напряжением V_out времени t4, записанной в запоминающей схеме 230, устройство для формирования сигнала изображения может определять силу внешнего света.

На фиг.5 приведена иллюстрация зависимости выходного напряжения от времени при разных значениях силы света в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Как следует из фиг.3 и фиг.5, схема 220 управления прерывает подачу напряжения на фотозатвор PG во второе время t2 и возобновляет подачу напряжения в третье время t3. Можно обнаружить, что, когда сила света увеличивается, скорость уменьшения выходного напряжения увеличивается. Кроме того, выходное напряжение после третьего времени t3 увеличивается и причина этого будет подробно описана ниже.

На фиг.6 схематически иллюстрируется карман потенциальной энергии фотодиода. Как следует из фиг.6, емкость С_PD находится между областью 212а легирующей примеси n-типа и карманом 212b р-типа, когда напряжение не прикладывается к фотозатвору. Когда напряжение прикладывается к фотозатвору, один инверсионный слой генерируется в кармане 212b р-типа в положении, соответствующем фотозатвору. Кроме емкости С_PD также запоминается емкость C_PG. Вследствие емкостей С_PD и С_PG карман 212b р-типа будет формировать карманы потенциальной энергии, где хранится часть электронов, возбужденных освещением внешним светом.

Как следует из фиг.5 и фиг.6, когда сила света увеличивается, увеличивается скорость убывания выходного напряжения. Причина этого в том, что чем больше сила света, тем выше скорость генерирования электронов. В соответствии с этим напряжение области 212а легирующей примеси n-типа уменьшается, что вызывает падение выходного напряжения. Когда напряжение, прикладываемое к фотозатвору, выключается при втором времени t2, емкость С_PD плюс С_PG упадет до емкости С_PD и поток электронов ниже емкости С_PG будет проходить к области ниже емкости С_PD. Если максимум электронов, хранимых ниже емкости C_PD+C_PG, превышает максимум электронов, хранимых ниже емкости С_PD, то избыточные электроны будут выбиты посредством вывода заземления. Когда напряжение прикладывают к фотозатвору при третьем времени t3, выходное напряжение увеличивается, так как напряжение области легирующей примеси n-типа увеличивается в ответ на напряжение, прикладываемое к фотозатвору, а количество электронов становится меньше количества перед выключением напряжения фотозатвора при втором времени t2.

На фиг.7 схематически иллюстрируется то, как динамический диапазон формирователя сигнала изображения модулируется благодаря изменению разности между третьим временем и четвертым временем. В соответствии с фиг.6 и фиг.7, как следует из экспериментальных результатов, можно видеть, что динамический диапазон будет уменьшаться при увеличении разности между временем t3 и временем t4. Это имеет место, поскольку при большей разности между временем t3 и временем t4 большее время освещения (облучения) вызывает уменьшение выходного напряжения при четвертом времени t4.

На фиг.8 схематически иллюстрируется то, как динамический диапазон формирователя сигнала изображения модулируется благодаря изменению напряжения, прикладываемого к фотозатвору. В соответствии с фиг.5 и фиг.8, как следует из экспериментальных результатов, динамический диапазон формирователя сигнала изображения больше, тогда как напряжение, прикладываемое к фотозатвору, увеличивается в большем поле. Это имеет место, поскольку величина выходного напряжения при первом времени t1 увеличивается с напряжением фотозатвора. Кроме того, величина выходного напряжения поднимающейся задней части при третьем времени t3 также поднимается.

Необходимо отметить, что фотодиод формирователя сигнала изображения в настоящем изобретении не ограничен структурой металл-оксид-полупроводник и другие диоды с фотозатвором еще находятся в пределах объема настоящего изобретения. Кроме того, в описанном выше варианте осуществления второе напряжение V2, как правило, равно первому напряжению V1, но первое напряжение V1 и второе напряжение V2 оба могут быть равны опорному напряжению Vcc или оба могут быть не равны ему. Помимо всего прочего схема управления может прикладывать третье напряжение к фотозатвору во второе время и не обязательно выключать напряжение. Пока третье напряжение меньше первого напряжения и второго напряжения, формирователь изображения способен достигать требуемого эффекта.

Подводя итог, в устройстве для формирования сигнала изображения, соответствующем настоящему изобретению, схема управления останавливает приложение первого напряжения к фотозатвору во второе время или уменьшает напряжение фотозатвора ниже первого напряжения и затем прикладывает второе напряжение к фотозатвору в третье время, чтобы поднять напряжение фотозатвора до второго напряжения. Вышеописанные этапы дают возможность увеличения выходного напряжения, увеличивая в соответствии с этим динамический диапазон модуля формирования сигнала изображения. Кроме того, динамический диапазон формирователя сигнала изображения может также увеличиваться путем изменения разности между четвертым временем и третьим временем. Подобные результаты могут быть получены путем модулирования напряжения фотозатвора.

Квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что без отклонения от объема или сущности настоящего изобретения могут быть сделаны различные модификации и изменения структуры настоящего изобретения. В виду вышеприведенного описания предполагается, что настоящее изобретение охватывает модификации и изменения этого изобретения, если они находятся в пределах объема следующей формулы изобретения и ее эквивалентов.

Формула изобретения

1. Способ работы модуля формирования сигнала изображения, содержащего фотозатвор, фотодиод, скомпонованный с фотозатвором, и первый переключатель, один вывод которого соединен с опорным напряжением, а другой вывод соединен с фотодиодом, предусматривающий приложение первого напряжения к фотозатвору; включение первого переключателя; выключение первого переключателя в первое время; уменьшение величины напряжения, прикладываемого к фотозатвору, во второе время; увеличение величины напряжения, прикладываемого к фотозатвору, в третье время; и поддержание выключенного состояния первого переключателя до четвертого времени.

2. Способ работы по п.1, в котором первую величину напряжения прекращают подавать на фотозатвор во второе время.

3. Способ работы по п.2, в котором вторую величину напряжения прикладывают к фотозатвору в третье время.

4. Способ работы по п.3, в котором вторую величину напряжения модулируют равной первой величине напряжения.

5. Способ работы по п.1, в котором первую величину напряжения модулируют равной величине опорного напряжения.

6. Способ работы по п.1, в котором первую величину напряжения модулируют не равной величине опорного напряжения.

7. Способ работы по п.2, в котором вторую величину напряжения модулируют равной величине опорного напряжения.

8. Способ работы по п.2, в котором вторую величину напряжения модулируют не равной величине опорного напряжения.

9. Способ работы по п.1, в котором напряжение, прикладываемое к фотозатвору, модулируют от первой величины напряжения до третьей величины напряжения, которая меньше первой величины напряжения, во второе время.

10. Способ работы по п.1, в котором напряжение, прикладываемое к фотозатвору, модулируют от третьей величины напряжения до второй величины напряжения, которая больше третьей величины напряжения, в третье время.

11. Способ работы по п.1, дополнительно предусматривающий модулирование четвертого времени для изменения динамического диапазона модуля формирования сигнала изображения.

12. Способ работы по п.11, в котором динамический диапазон уменьшают путем увеличения интервала между четвертым временем и третьим временем.

13. Способ работы по п.1, дополнительно предусматривающий модулирование первой величины напряжения для изменения максимального детектирования света модуля формирования сигнала изображения.

14. Способ работы по п.13, в котором максимальное детектирование света повышают путем увеличения первой величины напряжения.

15. Устройство для формирования сигнала изображения, содержащее модуль формирования сигнала изображения, содержащий фотозатвор; фотодиод, скомпонованный с фотозатвором; первый переключатель, первый вывод которого соединен с опорным напряжением, а второй вывод которого соединен с одним выводом фотодиода; истоковый повторитель, первый вывод которого соединен с опорным напряжением, а управляющий вывод которого соединен с другим выводом фотодиода; и второй переключатель, первый вывод которого соединен со вторым выводом истокового повторителя, а второй вывод которого обеспечивает выход выходного напряжения; и схему управления, соединенную с модулем формирования сигнала изображения, причем схема управления прикладывает разные величины напряжения в разное время к первому переключателю, фотодиоду и второму переключателю соответственно.

16. Устройство по п.15, в котором схема управления может модулировать величины напряжения на первом переключателе, фотодиоде и втором переключателе соответственно в соответствии со следующими этапами приложение первого напряжения к фотозатвору и включение первого переключателя; выключение первого переключателя в первое время и облучение фотодиода светом; прекращение приложения первой величины напряжения к фотозатвору во второе время; приложение второй величины напряжения к фотозатвору в третье время; поддержание выключенного состояния первого переключателя впредь до четвертого времени; и включение второго переключателя для обеспечения выхода выходного напряжения.

17. Устройство по п.16, в котором схема управления, как правило, делает первое напряжение равным второму напряжению, но соотношение между первым напряжением, вторым напряжением и опорным напряжением неограничено.

18. Устройство по п.16, в котором схема управления может, по меньшей мере, модулировать одно из следующего: четвертое время, интервал между четвертым временем и третьим временем, первую величину напряжения и вторую величину напряжения.

19. Устройство по п.15, в котором первый переключатель является транзистором, истоковый повторитель является транзистором и второй переключатель является транзистором.

РИСУНКИ