CN108303177A - 光检测单元及其检测方法和光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光检测单元及其检测方法和光检测装置，包括：第一感测模块、第二感测模块、遮光模块和比较输出模块；第一感测模块与第一控制信号线连接，第二感测模块与第二控制信号线连接，第一感测模块和第二感测模块具有相同结构，用于感测各自身所处环境并输出相应的电压信号；遮光模块覆盖第一感测模块的至少部分，以屏蔽环境光对第一感测模块的输出的影响；比较输出模块用于计算第二感测模块输出的电压信号与第一感测模块输出的电压信号的电压差，并将电压差对应的信号输出至电压输出端，该电压差为环境光的光照强度的表征。本发明的技术方案可实现对第二感测模块接收到的光照强度进行精准检测。

Description

光检测单元及其检测方法和光检测装置

技术领域

本发明涉及光检测技术领域，特别涉及一种光检测单元及其检测方法和光检测装置。

背景技术

现有的光电检测电路一般基于光敏晶体管，其工作原理大致如下：首先，光敏晶体管根据环境光的光强产生相应的电信号；然后基于该电信号通过查表的方式来确定对应的光强值。然而，在实际应用中发现，光敏晶体管的输出不仅会受到光照强度的影响，而且还会受到如温度、电路噪声、杂散电容等外部环境的影响。因此，光敏晶体管实际输出的电信号并不能准确表征环境光的光强，从而导致光检测精度较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种光检测单元及其检测方法和光检测装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种光检测单元，包括：第一感测模块、第二感测模块、遮光模块和比较输出模块；

所述第一感测模块与第一控制信号线连接，所述第二感测模块与第二控制信号线连接，所述第一感测模块和所述第二感测模块具有相同结构，用于在各自所连接的控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号；

所述遮光模块覆盖所述第一感测模块的至少部分，以屏蔽环境光对第一感测模块的输出的影响；

所述比较输出模块用于计算所述第二感测模块输出的电压信号与所述第一感测模块输出的电压信号的电压差，并将所述电压差对应的信号输出至电压输出端，所述电压差为所述环境光的光照强度的表征。

可选地，所述第一感测模块和所述第二感测模块均包括：光敏晶体管和源跟随子模块；

所述光敏晶体管的栅极与第一工作电压端连接，所述光敏晶体管的第一极与偏置电压端连接，所述光敏晶体管的第二极与所述源跟随子模块连接；

所述源跟随子模块用于将光敏晶体管输出的电信号进行放大、缓冲并输出相应的所述电压信号；

所述遮光模块覆盖所述第一感测模块中的所述光敏晶体管的有源层。

可选地，所述源跟随子模块包括：跟随晶体管和开关晶体管；

所述跟随晶体管的栅极与对应的光敏晶体管的第二极连接，所述跟随晶体管的第一极与所述第二工作电压端连接，所述跟随晶体管的第一极与所述开关晶体管的第一极连接；

所述开关晶体管的第二极与所述比较输出模块连接；

所述第一感测模块中的所述开关晶体管的栅极与所述第一控制信号线连接，所述第二感测模块中的所述开关晶体管的栅极与所述第二控制信号线连接。

可选地，所述第一感测模块和所述第二感测模块均还包括：重置单元；

所述重置单元与所述光敏晶体管的第二极连接，用于在光敏晶体管完成一次检测后对所述光敏晶体管的第二极进行重置处理。

可选地，所述重置单元包括：重置晶体管；

所述重置晶体管的第一极与所述光敏晶体管的第二极连接，所述重置单元的第二极与第三工作电压端连接；

所述第一感测模块中的所述重置晶体管的栅极与所述第一控制信号线连接，所述第二感测模块中的所述重置晶体管的栅极与所述第二控制信号线连接。

可选地，所述比较输出模块包括：电容和输出控制晶体管；

所述电容的第一端与所述第一感测模块和所述第二感测模块均连接，所述电容的第二端与所述电压输出端连接；

所述输出控制晶体管的栅极与第三控制信号线连接，所述输出控制晶体管的第一极与所述电容的第二端连接，所述输出控制晶体管的第二极与第四工作电压端连接。

可选地，还包括：放大模块；

所述放大模块设置于所述比较输出模块和电压输出端之间，用于将所述比较输出模块输出的信号进行放大处理后再通过电压输出端进行输出。

可选地，还包括：电流源，所述电流源、所述第一感测模块、所述第二感测模块和所述比较输出模块连接于第一节点；

所述电流源用于为所述第一感测模块和所述第二感测模块提供偏置电流。

为实现上述目的，本发明还提供了一种光检测装置，包括：如上述的光检测单元。

为实现上述目的，本发明还提供了一种光检测方法，所述光检测方法基于上述的光检测单元，所述光检测方法包括：

所述第一感测模块在所述第一控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号；

所述第二感测模块在所述第二控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号；

所述比较输出模块计算所述第二感测模块输出的电压信号与所述第一感测模块输出的电压信号的电压差，并将所述电压差对应的信号输出至电压输出端。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种光检测单元及其检测方法和光检测装置，通过设置具有相同结构的第一感测模块和第二感测模块，并采用遮光模块来对第一感测模块进行遮光处理以屏蔽环境光对第一感测模块的输出的影响，再利用比较输出模块将第二感测模块输出的电压信号与第一感测模块输出的电压信号进行作差处理，从而有效剔除除光照因素之外的其他环境因素对第二感测模块的影响，进而得到能够表征第二感测模块所受光照强度的电压信号，以供外部处理芯片确定对应的光照强度，实现对外部光照强度进行精准检测。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种光检测单元的电路结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种光检测单元的电路结构示意图；

图3为图2所示光检测单元的工作时序图；

图4为本发明实施例三提供的一种光检测装置的电路结构示意图；

图5为本发明实施例四提供的一种光检测方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种光检测单元及其检测方法和光检测装置进行详细描述。

图1为本发明实施例一提供的一种光检测单元的电路结构示意图，如图1所示，该光检测单元包括：第一感测模块1、第二感测模块2、遮光模块4和比较输出模块3。

其中，第一感测模块1与第一控制信号线Sc_1连接，第二感测模块2与第二控制信号线Sc_2连接，第一感测模块1和第二感测模块2具有相同结构，用于在各自所连接的控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号。

遮光模块4覆盖第一感测模块1的至少部分以屏蔽环境光对第一感测模块1的输出的影响。

比较输出模块3用于计算第二感测模块2输出的电压信号与第一感测模块1输出的电压信号的电压差，并将电压差对应的信号输出至电压输出端，该电压差为环境光的光照强度的表征。

在本发明中，由于第一感测模块1的至少部分被遮光模块4覆盖因而无法感测到光照，因此第一感测模块1输出的电压信号可表征除了光照因素之外的其他环境因素(例如温度、电路噪声、杂散电容等)；与此同时，由于第二感测模块2未被遮光模块4覆盖，因此第二感测模块2输出的电压信号表征光照因素以及其他环境因素。比较输出模块3通过将第二感测模块2输出的电压信号与第一感测模块1输出的电压信号进行作差处理，得到的电压差可表征出第二感测模块2所受到的光照强度，从而实现光检测。

在实际应用中，可通过预先实验来获取第二感测模块2接收到不同强度的光照时对应比较输出模块3所输出的不同电压差，并生成电压差-光强对应关系表，并将其存储于与该光检测单元的电压输出端连接的处理芯片中。在处理芯片接收到光检测单元输出的表示电压差的电压信号时，可通过查表的方式确定对应的光照强度。

可选地，该光检测单元还包括：放大模块，放大模块设置于比较输出模块3和电压输出端之间，用于将比较输出模块3输出的信号进行放大处理后再通过电压输出端进行输出，便于外部处理芯片对代表“电压差”的电压信号进行检测、处理。

可选地，该光检测单元还包括：电流源，电流源、第一感测模块1、第二感测模块2和比较输出模块3连接于第一节点；电流源用于为第一感测模块1和第二感测模块2提供偏置电流，使得第一感测模块1与比较输出模块3之间、第二感测模块2与比较输出模块3之间具有适当电流同时具有极大的交流阻抗，维持第一感测模块1、第二感测模块2输出的稳定性。

本发明实施例一的技术方案通过设置具有相同结构的第一感测模块和第二感测模块，并采用遮光模块来对第一感测模块进行遮光处理以屏蔽环境光对第一感测模块的输出的影响，再利用比较输出模块将第二感测模块输出的电压信号与第一感测模块输出的电压信号进行作差处理，从而有效剔除除光照因素之外的其他环境因素对第二感测模块的影响，进而得到能够表征第二感测模块所受光照强度的电压信号，以供外部处理芯片确定对应的光照强度，实现对外部光照强度进行精准检测。

图2为本发明实施例二提供的一种光检测单元的电路结构示意图，图3为图2所示光检测单元的工作时序图，如图2和图3所示，图2所示光检测单元基于图1所示光检测单元，其为图1所示光检测单元的一种具体化方案，其中，第一感测模块1和第二感测模块2均包括：光敏晶体管T1/T1’和源跟随子模块12/12’；光敏晶体管T1/T1’的栅极与第一工作电压端连接，光敏晶体管T1/T1’的第一极与偏置电压端连接，光敏晶体管T1/T1’的第二极与源跟随子模块12/12’连接；源跟随子模块12/12’用于将光敏晶体管T1/T1’输出的电信号进行放大、缓冲并输出相应的电压信号；遮光模块4覆盖第一感测模块1中的光敏晶体管T1的有源层；具体地，遮光模块4为覆盖光敏晶体管T1的有源层的一个遮光薄膜图形。

源跟随子模块12/12’包括：跟随晶体管T2/T2’和开关晶体管T3/T3’；跟随晶体管T2/T2’的栅极与对应的光敏晶体管T1/T1’的第二极连接，跟随晶体管T2/T2’的第一极与第二工作电压端连接，跟随晶体管T2/T2’的第一极与开关晶体管T3/T3’的第一极连接；开关晶体管T3/T3’的第二极与比较输出模块3连接；第一感测模块1中的开关晶体管T3的栅极与第一控制信号线Sc_1连接，第二感测模块2中的开关晶体管T3’的栅极与第二控制信号线Sc_2连接。

可选地，第一感测模块1和第二感测模块2均还包括：重置单元；重置单元13/13’与光敏晶体管T1/T1’的第二极连接，用于在光敏晶体管T1/T1’完成一次检测后对光敏晶体管T1/T1’的第二极进行重置处理。进一步可选地，重置单元13/13’包括：重置晶体管T4/T4’；重置晶体管T4/T4’的第一极与光敏晶体管T1/T1’的第二极连接，重置晶体管T4/T4’的第二极与第三工作电压端连接；第一感测模块1中的重置晶体管T4的栅极与第一控制信号线Sc_1连接，第二感测模块2中的重置晶体管T4’的栅极与第二控制信号线Sc_2连接。

可选地，比较输出模块3包括：电容和输出控制晶体管T5/T5’；电容的第一端与第一感测模块1和第二感测模块2均连接，电容的第二端与电压输出端连接；输出控制晶体管T5/T5’的栅极与第三控制信号线Sc_3连接，输出控制晶体管T5/T5’的第一极与电容的第二端连接，输出控制晶体管T5/T5’的第二极与第四工作电压端连接。

可选地，放大模块5为放大器。

需要说明的是，由于晶体管的源极和漏极是对称的，所以其源极、漏极是没有区别的。在本发明实施例中，为区分晶体管的源极和漏极，将其中一极称为第一极，另一极称为第二极。此外按照晶体管的特性区分可以将晶体管分为N型和P型，当采用N型晶体管时，第一极为N型晶体管的源极，第二极为N型晶体管的漏极，栅极输入高电平时，源漏极导通，P型相反。

为便于本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合附图来对图2所示的光检测单元的工作过程进行详细描述，下述描述中以重置晶体管T4/T4’为P型晶体管，光敏晶体管T1/T1’、跟随晶体管T2/T2’和开关晶体管T3/T3’、输出控制晶体管T5/T5’均为N型晶体管为例。

第一工作电压端提供低电平电压Vss，第二工作电压端提供高电平电压Vdd，第三工作电压端、第四工作电压端提供接地电压(约为OV),偏置电压端提供偏置电压Vbias。

该光检测单元的工作过程包括两个阶段：第一感测阶段t 1、第二感测阶段t2。

第一感测阶段，第一控制信号线Sc_1提供高电平信号，第二控制信号线Sc_2提供低电平信号，第三控制信号线Sc_3提供高电平信号。

由于第一控制信号线Sc_1提供高电平信号,因此第一感测模块1中的重置晶体管T4处于截止状态、开关晶体管T3处于导通状态。与此同时，由于光敏晶体管T1为N型晶体管且其栅极输入有低电平电压Vss，则光敏晶体管T1处于截止状态。然而，光敏晶体管T1受到除光照因素之外的其他环境因素的影响，其电学特性产生漂移，光敏晶体管T1的第二极会产生漏电流，该漏电流会对节点d进行充电，节点d的电压可表征除光照因素之外的其他环境因素。

节点d与跟随晶体管T2的栅极连接，因此跟随晶体管T2的第二极输出的电压在电流源CS提供的偏振电流的作用下会跟随着节点d电压的升高而升高(实现对节点d电压放大)，跟随晶体管T2的第二极输出的电压也可表征除光照因素之外的其他环境因素。由于开关晶体管T3导通，则跟随晶体管T2的第二极输出的电压会通过开关晶体管T3传递至比较输出模块3，即比较输出模块3收到由第一感测模块1输出的可表征除了光照因素之外的其他环境因素的电压信号。为方便描述，假定第一感测模块1输出的电压为V1。此时，节点a的电压大小为V1。

此外，由于第二控制信号线Sc_2提供低电平信号，因此第二感测模块2中的重置晶体管T4’处于导通状态、开关晶体管T3’处于截止状态。第二感测模块2中的重置晶体管T4’的导通，第三工作电压端提供的接地电压通过重置晶体管T4’以对节点d’(光敏晶体管T1’的第二极)进行重置处理。此外，开关晶体管T3’处于截止状态，则第二感测模块2不会对比较输出模块3进行输出。

由于第三控制信号线Sc_3提供高电平信号，因此输出控制晶体管T5处于导通状态。此时第四工作电压端提供的接地电压通过输出控制晶体管T5写入节点b。以接地电压为0V为例，则电容C两端的电压差为Va-Vb＝V1-0＝V1，电压输出端OUTPUT输出接地电压(可看作电压输出端OUTPUT无输出)。

第二感测阶段，第一控制信号线Sc_1提供低电平信号，第二控制信号线Sc_2提供高电平信号，第三控制信号线Sc_3提供低电平信号。

由于第一控制信号线Sc_1提供低电平信号，因此第一感测模块1中的重置晶体管T4处于导通状态、开关晶体管T3处于截止状态。第一感测模块1中的重置晶体管T4的导通，第三工作电压端提供的接地电压通过重置晶体管T4以对节点d(光敏晶体管T1的第二极)进行重置处理。此外，开关晶体管T3处于截止状态，则第一感测模块1不会对比较输出模块3进行输出。

由于第二控制信号线Sc_2提供高电平信号,因此第二感测模块2中的重置晶体管T4’处于截止状态、开关晶体管T3’处于导通状态。与此同时，由于光敏晶体管T1’为N型晶体管且其栅极输入有低电平电压Vss，则光敏晶体管T1’处于截止状态。然而，光敏晶体管T1’受到光照因素以及其他环境因素的影响，其电学特性产生漂移，光敏晶体管T1’的第二极会产生漏电流，该漏电流会对节点d’进行充电，节点d’的电压可表征光照因素以及其他环境因素。

节点d’与跟随晶体管T2’的栅极连接，因此跟随晶体管T2’的第二极输出的电压在电流源CS提供的偏振电流的作用下会跟随着节点d’电压的升高而升高(实现对节点d’电压放大)，跟随晶体管T2’的第二极输出的电压也可表征光照因素以及其他环境因素。由于开关晶体管T3’导通，则跟随晶体管T2’的第二极输出的电压会通过开关晶体管T3’传递至比较输出模块3，即比较输出模块3收到由第二感测模块2输出的可表征光照因素以及其他环境因素的电压信号。为方便描述，假定第二感测模块2输出的电压为V2。此时，节点a的电压大小由为V1上升到V2。

由于第三控制信号线Sc_3提供低电平信号，因此输出控制晶体管T5处于截止状态。此时节点b处于浮接状态(floating)。电容C为保证两端电压差V1不变，因而会产生自举效应以使得节点b的电压变化为V2-V1，即节点b的电压等于第二感测模块2输出的电压信号与第一感测模块1输出的电压信号的电压差，该电压差可表征出第二感测模块所受到的光照强度，从而实现对外部光照强度进行精准检测。为便于处理芯片的后续处理，可将节点b处的该“电压差”经过放大器放大处理后再通过电压输出端OUTPUT进行输出。

需要说明的是，上述重置晶体管为P型晶体管，光敏晶体管、跟随晶体管和开关晶体管、输出控制晶体管均为N型晶体管的情况仅起到示例性作用，其不会对本发明的技术方案产生限制。本领域技术人员通过对各晶体管的类型、各控制信号线中的信号进行变换所得到的技术方案，其也应属于本发明的保护范围。

图4为本发明实施例三提供的一种光检测装置的电路结构示意图，如图4所示，该光检测装置包括光检测单元，该光检测单元采用上述实施例一或实施例二中提供的光检测单元，具体内容可参见上述实施例一中的描述，此处不再赘述。

参见图4所示，作为一种可选实施方案，该光检测装置为具有显示功能的显示装置，例如手机、平板、显示器等。此时，可在显示装置的四个角落位置(此处空间大)分别设置1个或多个光检测单元，从而得到具有环境光检测功能的显示器。

此时，上述实施例二中的第一感测模块1、第二感测模块2和比较输出模块3可采用现有的阵列基板工艺(Array工艺)进行制备。

作为又一种可选方案，该光检查装置为一个图像传感器，其包括呈阵列排布的多个光检测单元，各光检测单元用于检测对应位置的光照强度，以实现图像采集(此种情况未给出相应附图)。

当然，本发明中的光检查装置还可以为其他具有光检测功能的装置，此处不再一一举例说明。

图5为本发明实施例四提供的一种光检测方法的流程图，如图5所述，该光检测方法基于上述实施例一或实施例二中的光检测单元，该光检测方法包括：

步骤S1、第一感测模块在第一控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号。

步骤S2、第二感测模块在第二控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号。

步骤S3、比较输出模块计算第二感测模块输出的电压信号与第一感测模块输出的电压信号的电压差，并将电压差对应的信号输出至电压输出端。

对于上述步骤S1～步骤S3的具体描述，可参见上述实施例一和实施例二中的相应内容，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光检测单元，其特征在于，包括：第一感测模块、第二感测模块、遮光模块和比较输出模块；

所述第一感测模块与第一控制信号线连接，所述第二感测模块与第二控制信号线连接，所述第一感测模块和所述第二感测模块具有相同结构，用于在各自所连接的控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号；

所述遮光模块覆盖所述第一感测模块的至少部分，以屏蔽环境光对第一感测模块的输出的影响；

所述比较输出模块用于计算所述第二感测模块输出的电压信号与所述第一感测模块输出的电压信号的电压差，并将所述电压差对应的信号输出至电压输出端，所述电压差为所述环境光的光照强度的表征。

2.根据权利要求1所述的光检测单元，其特征在于，所述第一感测模块和所述第二感测模块均包括：光敏晶体管和源跟随子模块；

所述光敏晶体管的栅极与第一工作电压端连接，所述光敏晶体管的第一极与偏置电压端连接，所述光敏晶体管的第二极与所述源跟随子模块连接；

所述源跟随子模块用于将光敏晶体管输出的电信号进行放大、缓冲并输出相应的所述电压信号；

所述遮光模块覆盖所述第一感测模块中的所述光敏晶体管的有源层。

3.根据权利要求2所述的光检测单元，其特征在于，所述源跟随子模块包括：跟随晶体管和开关晶体管；

所述跟随晶体管的栅极与对应的光敏晶体管的第二极连接，所述跟随晶体管的第一极与第二工作电压端连接，所述跟随晶体管的第一极与所述开关晶体管的第一极连接；

所述开关晶体管的第二极与所述比较输出模块连接；

所述第一感测模块中的所述开关晶体管的栅极与所述第一控制信号线连接，所述第二感测模块中的所述开关晶体管的栅极与所述第二控制信号线连接。

4.根据权利要求2所述的光检测单元，其特征在于，所述第一感测模块和所述第二感测模块均还包括：重置单元；

所述重置单元与所述光敏晶体管的第二极连接，用于在光敏晶体管完成一次检测后对所述光敏晶体管的第二极进行重置处理。

5.根据权利要求4所述的光检测单元，其特征在于，所述重置单元包括：重置晶体管；

所述重置晶体管的第一极与所述光敏晶体管的第二极连接，所述重置单元的第二极与第三工作电压端连接；

所述第一感测模块中的所述重置晶体管的栅极与所述第一控制信号线连接，所述第二感测模块中的所述重置晶体管的栅极与所述第二控制信号线连接。

6.根据权利要求1所述的光检测单元，其特征在于，所述比较输出模块包括：电容和输出控制晶体管；

所述电容的第一端与所述第一感测模块和所述第二感测模块均连接，所述电容的第二端与所述电压输出端连接；

所述输出控制晶体管的栅极与第三控制信号线连接，所述输出控制晶体管的第一极与所述电容的第二端连接，所述输出控制晶体管的第二极与第四工作电压端连接。

7.根据权利要求1所述的光检测单元，其特征在于，还包括：放大模块；

所述放大模块设置于所述比较输出模块和电压输出端之间，用于将所述比较输出模块输出的信号进行放大处理后再通过电压输出端进行输出。

8.根据权利要求1所述的光检测单元，其特征在于，还包括：电流源，所述电流源、所述第一感测模块、所述第二感测模块和所述比较输出模块连接于第一节点；

所述电流源用于为所述第一感测模块和所述第二感测模块提供偏置电流。

9.一种光检测装置，其特征在于，包括：如上述权利要求1-8中任一所述的光检测单元。

10.一种光检测方法，其特征在于，所述光检测方法基于上述权利要求1-8中任一所述的光检测单元，所述光检测方法包括：

所述第一感测模块在所述第一控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号；

所述第二感测模块在所述第二控制信号线提供的控制信号的控制下感测自身所处环境并输出相应的电压信号；

所述比较输出模块计算所述第二感测模块输出的电压信号与所述第一感测模块输出的电压信号的电压差，并将所述电压差对应的信号输出至电压输出端。