CN110278391A - 图像感测装置及利用其的显示装置 - Google Patents

Abstract

根据本技术一实施例的图像感测装置可以包括：图像传感器，其在不同曝光时间拍摄被摄体来生成至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧并进行输出；以及光偏差补偿部，其对上述至少一个高曝光帧和上述至少一个低曝光帧的像素值进行修正，通过结合修正像素值的至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧来生成一个最终图像帧。

Description

图像感测装置及利用其的显示装置

技术领域

本发明涉及一种图像感测装置(Image sensing apparatus)，更具体地，涉及一种即使从光源发射的光在被摄体发生不均匀地照射及反射时，也能够更准确地感测被摄体的图像感测装置。

背景技术

图像传感器是将光学影像转换为电信号的元件。近来，随着计算机产业和通信产业的发展，在数码相机、摄像机、个人通信系统(Personal Communication System，PCS)、游戏设备、监控用摄像头、医疗微型相机以及机器人等各种领域中对改进性能的图像传感器的需求不断增长。

并且，图像传感器也能够以识别指纹的用途来使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明提供一种如下的图像感测装置，其为即使从光源发射的光未均匀地照射在被摄体的表面，导致从被摄体反射的光量根据在被摄体内的位置而发生变化时，也能够非常准确地感测被摄体。

技术方案

根据本发明一实施例的图像感测装置可以包括：图像传感器，其以不同的曝光时间拍摄被摄体来生成至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧并进行输出；以及光偏差补偿部，其对上述至少一个高曝光帧和上述至少一个低曝光帧的像素值进行修正，通过结合修正像素值的至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧来生成一个最终图像帧。

根据本发明一实施例的显示装置包括显示图像影像的显示面板、支撑上述显示面板的主体以及通过检测从位于上述显示面板上侧的被摄体反射的光来感测上述被摄体的图像的图像感测装置，并且，上述图像感测装置可以包括：图像传感器，其位于上述显示面板的下侧，且以不同的曝光时间拍摄上述被摄体来生成至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧并进行输出；以及光偏差补偿部，其对上述至少一个高曝光帧和上述至少一个低曝光帧的像素值进行修正，通过结合修正像素值的至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧来生成一个最终图像帧。

根据本发明另一个实施例的图像(Image)感测装置可以包括；图像传感器，其拍摄被摄体来生成及输出多个原始图像帧；以及光偏差补偿部，其对上述多个原始帧的各个像素进行修正，通过合计修正像素值的多个原始帧来生成一个最终图像帧。

根据本发明另一个实施例的显示装置包括：显示面板，其显示图像影像；主体，其支撑上述显示面板；以及图像感测装置，其通过检测从位于上述显示面板上侧的被摄体反射的光来感测上述被摄体的图像，并且，上述图像感测装置可以包括：图像传感器，其拍摄被摄体来生成及输出多个原始图像帧；以及光偏差补偿部，其对上述多个原始帧的各个像素进行修正，通过合计修正像素值的多个原始帧来生成一个最终图像帧。

本发明的技术问题并不限于以上所提及的技术问题，本领域技术人员可以从以下记载中明确地理解未提及的其他技术问题。

有益效果

本发明即使在从光源发射的光未均匀地照射在被摄体的表面，导致从被摄体反射的光量根据在被摄体内的位置而发生变化时，也能够非常准确地感测被摄体。

附图说明

图1是简略地示出根据本发明一实施例的图像感测装置的结构的结构图。

图2是示例性示出在本发明的图像感测装置适用于显示装置时的图像传感器的设置位置的图。

图3是示例性示出在高曝光帧和低曝光帧中的根据离光源的距离的光量(像素值)的状态的图。

图4是用于说明帧的修正方法的图。

图5是示出根据图1的图像传感器的一实施例的像素结构的电路图。

图6是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

图7是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

图8是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

图9是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

图10是示出根据图1的图像传感器的另一个实施例的像素结构的电路图。

图11是用于说明图10的隔离晶体管的操作的时序图。

图12是示出根据本发明实施例的光电二极管的结构及操作的图。

图13是示出在图12的光电二极管的结构中的累积时间(storage time)和输出电压的关系的曲线图。

图14是示出根据本发明实施例的金属壁及金属屏蔽层结构的图。

图15是简略地示出根据本发明另一个实施例的图像感测装置的结构的结构图。

具体实施方式

以下，通过示意图对本发明的部分实施例进行详细地说明。需要注意的是，在对各附图的结构附加附图标记时，对相同的结构要素而言，即使标记在不同的附图，也要尽可能利用相同的附图标记。并且，在说明本发明实施例时，如有认为对于相关的公知结构或者功能的具体说明不利于对发明实施例的理解的情况，将会省略对其的详细说明。

图1是简略地示出本发明一实施例的图像感测装置的结构的结构图。

图1的图像感测装置可以包括图像传感器100及光偏差补偿部200。

图像传感器100检测从被摄体反射的光学影像的强弱，且生成及输出将其转换为数字影像数据的图像帧。尤其，本实施例的图像传感器100为了去除由向被摄体(例如，手指指纹)照射光的光源(例如，红外线LED光源)的位置引起的渐变(gradation)效应，以不同的曝光时间(integration time)拍摄相同的被摄体，从而生成高曝光(Long Integration)的原始输入信号{高曝光帧(FRAME_L)}和低曝光(Short Integration)的原始输入信号{低曝光帧(FRAME_S)}并进行输出。例如，图像传感器100在光源照射被摄体的期间，先延高曝光时间来拍摄被摄体，从而生成高曝光帧(FRAME_L)，接着，缩低曝光时间来再次拍摄被摄体，从而生成低曝光帧(FRAME_S)。这种图像传感器100可以是在像素阵列未形成彩色滤光片的指纹感测用黑白图像传感器。并且，本实施例的图像传感器100能够以与特定设备(例如，智能手机)的显示用面板(例如，手机的有机发光二极管(OLED)面板)重叠的方式设置在该显示用面板的下侧。

光偏差补偿部200通过纠正及结合从图像传感器100中输出的高曝光帧(FRAME_L)及低曝光帧(FRAME_S)来生成最终图像帧(FRAME_COM)。例如，光偏差补偿部200以分别在高曝光帧(FRAME_L)和低曝光帧(FRAME_S)中去除像素值(光量)饱和(saturation)为最高值或最低值的区域的值的方式，对高曝光帧(FRAME_L)及低曝光帧(FRAME_S)进行修正，通过结合所修正的高曝光帧和低曝光帧来生成光偏差得到补偿的一个图像帧(FRAME_COM)。

图2是示例性示出在本发明的图像感测装置适用于显示装置时的图像传感器的设置位置的图。其中，(a)是示出显示装置的剖面模样的图，(b)是示出显示装置的平面模样的图。并且，图3是示例性示出在高曝光帧和低曝光帧中的根据离光源的距离的光量(像素值)的状态的图。

参照图2及图3，更具体地说明在根据本发明实施例的图像感测装置中补偿光偏差的方法。

图2的显示装置例如可以是智能手机。显示装置可以包括主体10、显示面板20、玻璃基板30及图像传感器100。

主体10是支撑显示装置的结构体。显示面板20显示根据显示装置的驱动而生成的图像影像，且形成有微孔。这种显示面板20可以包括OLED面板。玻璃基板30位于显示面板20的上侧而保护显示面板20。

图像传感器100以用于感测指纹(Fingerprint)的用途而使用，并且以与显示面板20的部分区域重叠的方式配置在显示面板20的下侧。图像传感器100以高曝光及低曝光方式检测借助光源(未图示)照射后从指纹反射的光，且生成将其分别转换为数字影像数据的高曝光帧及低曝光帧并进行输出。

一般来说，就用于识别指纹的感测装置而言，光源位于图像传感器的后侧，从而使得从光源发射的光均匀地照射在指纹。

但是，如本实施例所述，当将图像传感器100以与显示面板20重叠的方式配置在显示面板20的后侧时，如现有技术一样，由于显示面板20而很难将用于识别指纹的光源配置在图像传感器100的后侧。因此，用于识别指纹的光源可配置在例如显示面板20的外侧。

在这种情况下，被摄体(指纹)在显示面板20的上侧位于设置有图像传感器100的位置，但光源位于显示面板20的外侧，因此，光将从光源倾斜地照射在指纹。由此，在指纹中，大量的光照射在靠近光源的区域，而在相反侧区域中将照射少量的光，并且由于这种光偏差还能产生阴影。

如果这种光偏差大，则无法正确感测照射有大量光的区域和照射有少量光的区域的图像。因此，本实施例使用如下的方法：在通过高曝光及低曝光而两次拍摄相同的被摄体之后，针对照射有大量光的区域，利用低曝光的影像来感测图像，针对照射有少量光的区域，利用高曝光的影像来感测(Sensing)图像。

为此，当被施加感测命令时，图像传感器100以不同的曝光时间(integrationtime)拍摄相同的被摄体(指纹)，从而生成作为高曝光(Long Integration)的原始输入信号的高曝光帧(FRAME_L)和作为低曝光(Short Integration)的原始输入信号的低曝光帧(FRAME_S)。即图像传感器100通过高曝光及低曝光而连续两次拍摄相同的被摄体。

在这种情况下，当高曝光时，流入图像传感器100的光的量整体上增加的同时，靠近光源的区域流入过多的光。与此不同地，当低曝光时，流入图像传感器100的光的量整体上减少的同时，远离光源的区域流入过少的光。

因此，如图3所示，在高曝光帧中，与靠近光源的区域对应的像素具有过多的光量，由此像素值饱和(saturation)为预设定的最高值。并且，在低曝光帧中，与远离光源的区域对应的像素具有过少的光量，由此像素值饱和为最低值。

为了去除这种饱和区域，光偏差补偿部200对高曝光帧(FRAME_L)及低曝光帧(FRAME_S)的各个像素值进行修正。为此，光偏差补偿部200将高曝光帧(FRAME_L)及低曝光帧(FRAME_S)的各个像素值修正为从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值(平均像素值)的值。

例如，在高曝光帧(FRAME_L)中，对于第(i，j)像素的所修正的像素值{(Long_AC)i，j}可以是，如下列方程式1一样，从该像素(i，j)的像素值{(Long)i，j}中减去以该像素(i，j)为中心的n×n(n为自然数)像素的平均值{Average(Long)i，j}的值。此时，如图4的(a)所示，n可以是“5”，但并不限于此。

[方程式1]

(Long_AC)i，j＝(Long)i，j-Average(Long)i，j

光偏差补偿部200通过这种方法对高曝光帧(FRAME_L)的整个像素值进行修正。此时，当修正对象像素为在像素阵列中位于外廓的像素时，例如，如图4的(b)所示，当修正对象像素为位于最外廓的像素时，只能在有效像素存在的方向上计算相当于该范围的像素的平均。即在图4的(b)中，用于修正最外廓像素(i，j)的平均值{Average(Long)i，j}可以是3×5像素的平均值。

这种情况下，在高曝光帧(FRAME_L)中，仅聚集有饱和(saturation)为最高值的像素的区域的像素值会被修正为“0”。例如，当第(i，j)像素处于饱和状态且其周边的5×5像素也全部饱和时，由于第(i，j)像素的值{(Long)i，j}与其周边的5×5像素的平均值{Average(Long)i，j}相同，因此所修正的像素值{(Long_AC)i，j}为“0”。

就包括大量的饱和像素的区域而言，该区域中的各个像素会被修正为非常小的值。

对于低曝光帧(FRAME_S)，光偏差补偿部200还采用相同的方法来对各个像素进行修正。即在低曝光帧(FRAME_S)中，对于第(i，j)像素的所修正的像素值{(Short_AC)i，j}可以是，如下列方程式2一样，从该像素(i，j)的像素值{(Short)i，j}中减去以该像素(i，j)为中心的5×5像素的平均值{Average(Short)i，j}的值。

[方程式2]

(Short_AC)i，j＝(Short)i，j-Average(Short)i，j

由此，对于低曝光帧(FRAME_S)而言，聚集有饱和(saturation)为最低值的像素的区域的像素值会被修正为“0”。

但是，如图3所示，在高曝光帧(FRAME_L)中修正为“0”的区域在低曝光帧(FRAME_S)中具有值，在低曝光帧(FRAME_S)中修正为“0”的区域在高曝光帧(FRAME_L)中具有值。

因此，光偏差补偿部200通过结合所修正的高曝光帧和低曝光帧来生成一个图像帧(FRAME_COM)。此时，光偏差补偿部200还可以在结合所修正的高曝光帧和低曝光帧之后，再添加规定大小的偏移(offset)值。

即最终结合的输出值{(Combined output)i，j}可以由方程式3得出。

[方程式3]

(Combined output)i，j＝offset+(Long_AC)i，j+(Short_AC)i，j

作为结合高曝光帧和低曝光帧的方法可以使用与通过结合高曝光图像帧和低曝光图像帧来生成高动态范围(High Dynamic Range；HDR)图像的方法相同的方法。

在上述实施例中，作为修正方法，使用了从修正对象像素的值中减去以该像素为中心在规定范围内的像素的平均值的方法，但是也可以使用其他方法。例如，对于第(i，j)像素进行修正的像素值{(Long_AC)i，j或(Short_AC)i，j}可以是，如下列方程式4一样，从修正对象像素(i，j)的值{(Long)i，j或(Short)i，j}中减去以该像素为中心在规定范围内的像素值中的最小值{Min(Long)i，j或Min(Short)i，j}的值。

[方程式4]

(Long_AC)i，j＝(Long)i，j-Min(Long)i，j

(Short_AC)i，j＝(Short)i，j-Min(Short)i，j

即当在规定区域的像素全部饱和时，由于该区域中的像素的值相同，因此即使减去最小值，所修正的像素值{(Long_AC)i，j或者(Short_AC)i，j}也是“0”。但是，减去最小值的情况下，相比于减去平均值的情况，对于修正值不为“0”的区域可以获得更大的值，由此具有能够最大程度地利用指纹的脊线(ridge)和谷(valley)的值的优点。

在利用最小值来进行修正时，通过结合所修正的高曝光帧和低曝光帧来生成一个图像帧的方法可与上述利用平均值的情况相同。

利用上述实施例中的平均值或最小值的光偏差补偿方法说明了通过修正及结合一个高曝光帧和一个低曝光帧来生成一个最终图像帧的情况，但是也可以通过利用多个高曝光帧和多个低曝光帧来生成一个最终图像帧。

根据不同的人，指纹状态也互不相同，有些人的指纹因受磨损而导致指纹状态不佳。在这种情况下，在连续拍摄相同的指纹之后对其值进行合计，从而可以通过增加指纹的脊线和谷的光量差来实现更准确的感测。

例如，在多次反复执行利用上述一个高曝光帧和一个低曝光帧来生成一个图像帧的方法之后，可以通过合计其结果来生成一个最终图像帧。在这种情况下，图像传感器100可以连续生成将一个高曝光帧和一个低曝光帧作为一对帧对的多个帧对并进行输出。对于各个帧对，光偏差补偿部200可以根据上述方法修正及结合高曝光帧和低曝光帧之后，通过合计所结合的多个图像帧来生成一个最终图像帧。

或者，在生成及修正多个高曝光帧及低曝光帧之后，可以将这些结合在一起。在这种情况下，图像传感器100连续生成多个高曝光帧及低曝光帧。光偏差补偿部200可以根据利用上述平均值或者最小值的修正方法分别对多个高曝光帧和低曝光帧进行修正之后，通过合计修正像素值的多个高曝光帧及低曝光帧来生成一个最终图像帧。

图5是示出根据图1的图像传感器的一实施例的像素结构的电路图。

如图5所示，图像传感器100可以包括：光电二极管PD、复位晶体管P1、传输晶体管P2、浮动扩散区域FD、选择晶体管P3、转换晶体管N1以及电流源Is。

光电二极管PD连接在地线(GND)和节点ND1之间，复位晶体管P1连接在电源电压供应线VDD和节点ND1之间，传输晶体管P2连接在节点ND1和节点ND2之间，浮动扩散区域FD连接在节点ND2和地线之间。选择晶体管P3、转换晶体管N1以及电流源Is串联连接在电源电压供应线VDD和地线之间，并且转换晶体管N1的栅极(Gate)连接到节点ND2。转换晶体管N1和电流源Is连接的节点ND3的电压成为输出电压Vout。

光电二极管PD通过将光信号转换成电信号来检测影像信号。光电二极管PD是光电转换元件的示例，并且可以由光电晶体管(photo transistor)、光电栅极(photo gate)以及钉扎光电二极管(pinned photo diode，PPD)中的至少一个构成。

浮动扩散区域FD累积在光电二极管PD中产生的电荷。如图5所示，浮动扩散区域FD可以包括结(junction)电容器Cj和附加电容器Cm。结电容器Cj表示具有PN结结构的电容器。附加电容器Cm是除了结电容器Cj之外额外连接的电容器，例如可以是金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)或金属-氧化物-半导体(MOS)电容器。

在全局快门方式的情况下，由于越是往后读出的行(例如下侧的行)对应的像素，越需要在浮动扩散区域FD长时间存储电荷，因此发生电荷泄漏的可能性增加。由此，对应于下侧的行的像素的输出电压下降，以致可能发生图像的渐变(gradation)或固定模式噪声(FPN)。由于MIM电容器的电荷泄漏较小，因此可以减小渐变或FPN。并且，由于MIM电容器的电荷泄漏较小，因此可以用作帧缓冲器。

复位晶体管P1基于复位信号RX/初始化光电二极管PD的电压，即初始化节点ND1的电压，并且与后述的传输晶体管P2一起初始化浮动扩散区域FD的电压，即初始化节点ND2的电压。本实施例中，复位晶体管P1可以是P沟道金属-氧化物-半导体晶体管(PMOS晶体管)，并且可以在复位信号RX/处于低电平(low level)时导通(turn on)，并将光电二极管PD的电压复位到电源电压VDD。由此，不发生复位晶体管P1的栅极-源极电压降，故使节点ND1可以复位到电源电压VDD，从而可以减小FPN。

传输晶体管P2基于传输控制信号TX/连接光电二极管PD和浮动扩散区域FD。由此，在复位操作时，节点ND2的电压等于复位到电源电压VDD的节点ND1的电压。并且，当在光电二极管PD中进行电荷累积时，或者在电荷累积结束之后，在光电二极管PD和浮动扩散区域FD之间发生电荷共享。本实施例中，传输晶体管P2可以是PMOS晶体管，并且可以在传输控制信号TX/处于低电平时导通，将累积在光电二极管PD的电荷传输到浮动扩散区域FD。由于不发生传输晶体管P2的栅极-源极电压降，可以使节点ND1的电压与节点ND2的电压相同，从而可以减小FPN。

选择晶体管P3基于选择控制信号LS/驱动转换晶体管N1。本实施例中，选择晶体管P3可以是PMOS晶体管，并且可以与复位晶体管P1和传输晶体管P2相同地减小FPN。

转换晶体管N1根据节点ND2的电荷量在节点ND3处产生输出电压Vout。输出电压Vout可以在相关双采样(Correlated Double Sampling，CDS)单元中作为影像信号输出。

图6是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

在图6中，驱动信号RX/，TX/，LS/的右括号中的值表示施加驱动信号RX/，TX/，LS/的像素的行。例如，{RX/(n)}表示施加到对应于第n行的像素的复位信号RX/，而{RX/(n+1)}表示施加到对应于第n+1行的像素的复位信号RX/。并且，假设根据本实施例的复位信号RX/、传输控制信号TX/和选择信号LS/是在低电平时被使能的低使能信号。

首先，对施加到对应于第n行的像素的驱动信号进行说明。

如图5及图6所示，在T0～T1期间，第n行的复位信号{RX/(n)}和第n行的传输控制信号{TX/(n)}变为低电平。由此，复位晶体管P1和传输晶体管P2导通，节点ND1和节点ND2的电压复位到电源电压VDD。

在T2～T3，第n行的复位信号{RX/(n)}和第n行的传输控制信号{TX/(n)}再次变为低电平。由于从T1之后到在光电二极管PD中发生电荷累积的T3之间存在时间间隔，所以节点ND1或节点ND2的电压可能产生变化。通过在曝光时间T3之前再进行一次复位操作，可以确保节点ND1和节点ND2的电压成为电源电压VDD。

T3～T5是光电二极管PD的曝光时间(Integration time)。由此，在光电二极管PD中由光电转换而产生电荷，并在光电二极管PD的内部累积。

在本实施例中，图像传感器100可以通过调节T3或者T3和T2来控制曝光时间，从而获得高曝光帧和低曝光帧。

光电二极管PD的曝光在T5结束，并且在T4～T5期间，传输控制信号{TX/(n)}变为低电平。由此，传输晶体管P2导通，累积在光电二极管PD中的电荷与浮动扩散区域FD共享。

在T5，传输控制信号{TX/(n)}转变为高电平并结束电荷共享。

在T6，选择信号{LS/(n)}变为低电平，由此，驱动选择晶体管P3和转换晶体管N1并输出输出电压Vout。此时的输出电压Vout表示为信号电压Vsig。

在T7，通过CDS读出输出电压Vout，此时读出的输出电压Vout表示为信号电压Vsig(n)。

在T8～T9期间，复位信号{RX/(n)}和传输控制信号{TX/(n)}变为低电平，将节点ND1和ND2的电压复位到电源电压VDD。

在T9，将复位信号{RX/(n)}和传输控制信号{TX/(n)}转换为高电平，截止(Turnoff)复位晶体管P1和传输晶体管P2。

在T10，通过CDS读出输出电压Vout，此时读出的输出电压Vout表示为基准电压Vref(n)。

尽管未示出，但CDS基于信号电压Vsig(n)和基准电压Vref(n)之间的差异生成第n行的影像信号。

然后，对施加到对应于第n+1行的像素的驱动信号进行说明。

在T0～T5期间，施加到对应于第(n+1)行的像素的驱动信号的时序图与施加到对应于第n行的像素的驱动信号的时序图相同。

如图5及图6所示，在T0～T1以及在T2～T3期间，第n+1行的复位信号{RX/(n+1)}和第n+1行的传输控制信号{TX/(n+1)}变为低电平并执行复位操作，并且在T4～T5期间，传输控制信号{TX/(n+1)}变为低电平并执行电荷共享操作。

结束T6～T11期间的第n行的读出操作后，选择信号{LS/(n+1)}在T12变为低电平，由此驱动对应于第n+1行的像素的选择晶体管P3和转换晶体管N1并输出输出电压Vout。

在T13，通过CDS读出对应于第(n+1)行的像素的输出电压Vout，并且此时的输出电压Vout表示为Vsig(n+1)。

在T14～T15期间，对应于第n+1行的像素的复位信号{RX/(n+1)}和传输控制信号{TX/(n+1)}变为低电平，使节点ND1和节点ND2的电压复位到电源电压VDD。

在T15，将复位信号{RX/(n+1)}和传输控制信号{TX/(n+1)}转换为高电平，截止对应于第n+1行的像素的复位晶体管P1和传输晶体管P2。

在T16，通过CDS读出输出电压Vout，此时的输出电压Vout表示为基准电压Vref(n+1)。

在T17，通过使选择信号{LS/(n+1)}转换为高电平，以结束对应于第n+1行的像素的读出操作。

如图6所示，根据本发明实施例的图像传感器100在T0～T5期间对所有行同时执行以下操作，即光电二极管PD的复位操作、光电二极管的曝光操作和电荷共享操作。然后，依次执行对每行的读出操作。即，在T6～T11期间执行对第n行的读出操作，在T12～T17期间执行对n+1行的读出操作。也就是说，根据本实施例的图像传感器以全局快门方式进行操作。

在全局快门方式的情况下，由于在同时执行曝光操作之后从前一行到下一行依次执行读出操作，因此在对应于下一行的像素中发生电荷泄漏(leakage)，从而会发生FPN和渐变。根据本发明实施例，由于使用电荷泄漏较少的MIM电容器，因此即使是在全局快门方式下，也可以减小FPN。

图7是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

如图7所示，在T0～T1期间，复位信号{RX/(n)，RX/(n+1)}以及传输控制信号{TX/(n)，TX/(n+1)}变为低电平，随后在T1转变为高电平后，在复位区间保持高电平。在本实施例中，由于T2～T3期间的操作与T1～T4期间的操作相同，因此省略T2～T3期间的操作。

在本实施例中，图像传感器100可以通过调节T1来控制曝光时间，从而获得高曝光帧和低曝光帧。

图8是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

如图8所示，在T0～T3期间，施加到对应于第n行的像素的复位信号{RX/(n)}、传输控制信号{TX/(n)}以及施加到对应于第n+1行的像素的复位信号{RX/(n)}、传输控制信号{TX/(n)}变为低电平。即，与图7的复位时间T0～T1相比，复位时间增加为T0～T3。此时，图像传感器100可以通过调节T3来控制曝光时间，从而获得高曝光帧和低曝光帧。

图9是示例性示出对于图5的驱动信号的时序图的图。

如图9所示，T0～T3的操作与图9相同。

在T3，复位信号{RX/(n)，RX/(n+1)}转变为高电平，传输控制信号{TX/(n)，TX/(n+1)}保持低电平。由此，在T3～T4的曝光期间，第n行和第n+1行的传输晶体管P2导通，在光电二极管PD和浮动扩散区域FD之间发生电荷共享。这与在图9中的T3～T4期间执行光电二极管PD的曝光操作后，在后续的T4～T5期间执行电荷共享的情况不同。如图10中示出了在执行图9的复位操作的情况下，使传输控制信号{TX/(n)，TX/(n+1)}不同的情况，但是也可以适用于执行图7及图8的复位操作的情况。

图10是示出根据图1的图像传感器的另一个实施例的像素结构的电路图。

如图10所示，与图1的像素相比，像素在节点ND1以及与光电二极管PD连接的节点ND4之间还包括隔离晶体管N2。

隔离晶体管N2的栅极连接到电源电压供应线VDD。由于隔离晶体管N2连接在光电二极管PD和节点ND1之间，与例如光电二极管PD和节点ND1通过金属线连接的情况相同，可以减小光电二极管PD和节点ND1之间的寄生电容。

图11是用于说明图10的隔离晶体管N2的操作的时序图。

在图11中，根据图9的实施例施加复位信号{RX/(n)}和传输控制信号{TX/(n)}。在图11中，V1表示节点ND1的电压，V4表示节点ND4的电压

如图10图11所示，在T3之前施加低电平的复位信号{RX/(n)}和传输控制信号{TX/(n)}。由此，复位晶体管P1导通，节点ND1的电压V1复位到电源电压VDD。假设隔离晶体管N2的栅极-源极电压差为Vth时，节点ND4的电压V4为VDD-Vth。

在T3，随着光电二极管PD的曝光开始，电荷在节点ND4累积。此时，隔离晶体管N2以饱和模式操作。因此，在隔离晶体管N2的源极处累积的电荷移动到隔离晶体管N2的漏极，由此减小节点ND1的电压V1。

当Ta处的节点ND1的电压V1变为VDD-Vth，等于节点ND4的电压V4时，隔离晶体管N2开始以线性模式操作。因此，节点ND4和节点ND1的电位由累积在节点ND4中的电荷而一起减小。

随后的读出操作与图9中的相同，因此省略对其的说明。

如上所述，即使插入了隔离晶体管N2，当曝光时间经过一定程度(即，在Ta之后)时，节点ND1的电压V1反映光电二极管PD的电压，即节点ND4的电压V4。另一方面，由于连接光电二极管PD的节点ND4和节点ND1之间由金属线连接等原因，因而会产生寄生电容。然而，根据本实施例，可以通过在节点ND4和节点ND1之间插入隔离晶体管N2来减小这种寄生电容。

图12是示出根据本发明实施例的光电二极管的结构及操作的图。其中，(a)是示出图5或者图10的光电二极管PD的剖面的图，(b)及(c)是用于说明光电二极管PD的操作的图。

如图12的(a)所示，光电二极管PD可以包括：P型基板810、形成于P型基板上810的第一N型光电二极管(Photo Diode N-type，PDN)区域820和第二PDN区域830、P型光电二极管(Photo Diode P-type，PDP)区域840、以及触点850。触点850可以通过金属线连接到复位晶体管P1和传输晶体管P2连接的节点ND1。

本实施例中，第二PDN区域830可以是掺杂浓度高于第一PDN区域820的区域，即n+区域。例如，第二PDN区域830的掺杂浓度可以是1E15，并且第一PDN区域820的掺杂浓度可以是1E12。如上所述，可以通过调整第一PDN区域820和第二PDN区域830的掺杂浓度来分别设置第一PDN区域820和第二PDN区域830的引脚电压(Pin voltage)。例如，第一PDN区域820的引脚电压可以低于电源电压，而第二PDN区域830的引脚电压可以是电源电压VDD以上。

本实施例中，第二PDN区域830的面积可以小于第一PDN区域820的面积。例如，光电二极管PD可以具有50μm×50μm的面积，第二PDN区域830可以具有1μm×1μm的面积。

假设在图12的(b)及(c)中，第一PDN区域820的引脚电压Vpin1为0.5V，电源电压VDD为3.0V，第二PDN区域830的引脚电压Vpin2是3.0V以上。

在复位状态下，对触点850施加3.0V的电源电压VDD时，第一PDN区域820的电压为0.5V的引脚电压Vpin1，第二PDN区域830的电压为3.0V的电源电压VDD。

如图12的(b)中的灰色区域所示，在光电二极管PD中产生的电荷累积在电压高的第二PDN区域830中，使得第二PDN区域830的电压逐渐降低。如图12的(c)的灰色区域所示，在第二PDN区域830的电压达到第一PDN区域820的引脚电压Vpin1(即0.5V)后，产生的电荷累积在整个第一PDN区域820及第二PDN区域830。

如上所述，在光电二极管PD的输出电压为VDD～Vpin1的区间(1)，以对应于第二PDN区域830的面积的电容操作，在Vpin1～0V的区间(2)以对应于第一PDN区域820和第二PDN区域830面积，即光电二极管PD的总面积的电容操作。因此，根据本实施例的光电二极管PD通过调整第一PDN区域820的掺杂浓度来调整第一PDN区域820的引脚电压Vpin1，并由此可以调整光电二极管PD的电容。

图13是示出在图12的光电二极管的结构中的累积时间和输出电压的关系的曲线图。

在图13中，区间(1)对应于图12的(b)的区间(1)，即光电二极管的电压为3.0～0.5V的区间，在图13中，区间(2)对应于图12的(c)的区间(2)，即光电二极管的电压为0.5～0V的区间。

如图13所示，光电二极管PD的输出电压为VDD～Vpin1的区间(1)的斜率大于光电二极管PD的输出电压为Vpin1～0V的区间(2)的斜率。即，可以知道区间(1)的电容小于区间(2)的电容。

图14是示出根据本发明实施例的金属壁及金属屏蔽层结构的图。

如图14所示，像素包括复位晶体管P1、传输晶体管P2、浮动扩散区域FD、选择晶体管P3、转换晶体管N1、电流源Is、光电二极管PD、金属壁及金属屏蔽层。在像素中，复位晶体管P1、传输晶体管P2、浮动扩散区域FD、选择晶体管P3、转换晶体管N1及电流源Is与图5相同，且光电二极管PD的结构与图12的(a)相同，因此省略对其的说明。

金属壁具有包围光电二极管PD的周围的结构。由此可以阻挡从侧面进入的光，并且可以改善光学串扰(cross talk)。

金属屏蔽层具有包围除光电二极管PD以外的部分的结构，即包围复位晶体管P1、转移晶体管P2、选择晶体管P3、转换晶体管N1以及浮动扩散区域FD的侧表面和上表面的结构。因此，在全局快门方式的操作时，即使电荷存储在浮动扩散区域FD中的时间长，也可以通过使晶体管P1，P2，P3，N1的接合区不与光反应，由此防止数据失真

根据本发明实施例的像素包括连接光电二极管PD和节点ND1的金属线。也就是说，像素具有光电二极管PD和节点ND1被金属线分开的结构。由此，可以具有金属线穿过金属壁和金属屏蔽层的侧壁的结构

根据本实施例的像素包括连接光电二极管PD和节点ND1的金属线。换句话说，像素具有通过金属线而光电二极管PD和节点ND1分开的结构。因此，可以具有金属线沿着金属壁及金属屏蔽层的侧壁通过的结构。

图15是简略地示出根据本发明另一个实施例的图像感测装置的结构的结构图。

图15的图像感测装置可以包括图像传感器300及光偏差补偿部400。

图像传感器300检测从被摄体(指纹)反射的光学影像的强弱，且生成及输出将其转换为数字影像数据的原始图像帧(FRAME_SOURCE)。此时，图像传感器300可以通过连续拍摄相同的指纹来连续生成及输出多个原始图像帧(FRAME_SOURCE)。这种图像传感器300可以是在像素阵列未形成彩色滤光片的指纹感测用黑白图像传感器。并且，图像传感器300可以包括上述图5或者图10的结构。

光偏差补偿部400通过修正从图像传感器300中输出的原始图像帧(FRAME_SOURCE)的各个像素来生成最终图像帧(FRAME_F)。此时，光偏差补偿部400可以将原始图像帧(FRAME_SOURCE)的各个像素值修正为从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值(平均像素值)或者最小值的值。例如，光偏差补偿部400可以通过与在上述图1的光偏差补偿部200中修正高曝光图像帧或者低曝光图像帧的各个像素值的方法相同的方法来修正原始图像帧的像素值。尤其，当图像传感器300连续输出多个原始图像帧(FRAME_SOURCE)时，光偏差补偿部400可以通过连续修正各个原始图像帧之后，合计所修正的原始图像帧来生成一个最终图像帧(FRAME_F)。

这种图像感测装置也可以适用于图2的显示装置。

以上说明仅仅是示意性地说明本发明的技术思想，因此在不脱离本发明的本质特性的前提下，本领域技术人员能够进行多种修正及变形。

因此，本发明公开的实施例并不是用于限定本发明的技术思想，而是用于对其进行说明，并且本发明的技术思想的范围并不会被上述实施例所限定。本发明的保护范围由权利要求书来确定，并且，应解释为与之等同的范围的所有技术思想均包括在本发明的权利要求范围内。

Claims (20)

1.一种图像感测装置，其特征在于，包括：

图像传感器，其以不同的曝光时间拍摄被摄体来生成至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧并进行输出；以及

光偏差补偿部，其对所述至少一个高曝光帧和所述至少一个低曝光帧的像素值进行修正，通过结合修正像素值的至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧来生成一个最终图像帧。

2.根据权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，

所述图像传感器对于相同的被摄体生成一个高曝光帧和一个低曝光帧，并进行输出，

所述光偏差补偿部对于所述一个高曝光帧及所述一个低曝光帧的各个像素进行修正，即将从各个像素的值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值作为该像素的值。

3.根据权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，

所述图像传感器对于相同的被摄体连续生成多对帧对并进行输出，其中将一个高曝光帧和一个低曝光作为一对帧对，

针对每对帧对，所述光偏差补偿部对于该帧对的高曝光帧和低曝光帧的各个像素进行修正，即将从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值作为该像素的值。

4.根据权利要求3所述的图像感测装置，其特征在于，

所述光偏差补偿部按照各个帧对来结合所修正的高曝光帧和所修正的低曝光帧，并通过合计所结合的图像帧来生成所述最终图像帧。

5.根据权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，

所述图像传感器生成多个高曝光帧和多个低曝光帧并进行输出，

所述光偏差补偿部对于所述多个高曝光帧和多个低曝光帧的各个像素进行修正，即将从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值作为该像素的值。

6.根据权利要求5所述的图像感测装置，其特征在于，

所述图像传感器通过结合并合计所修正的多个高曝光帧和所修正的多个低曝光帧来生成所述最终图像帧。

7.根据权利要求2、3以及5中的任一项所述的图像感测装置，其特征在于，

对于各个高曝光帧及各个低曝光帧的各个像素，所述光偏差补偿部从该像素值中减去以该像素为中心的n×n像素的平均值或者最小值，其中n为自然数。

8.根据权利要求1所述的图像感测装置，其特征在于，

所述光偏差补偿部在所述最终图像帧添加预设定的偏移值。

9.一种显示装置，其特征在于，包括：

显示面板，其显示图像影像；

主体，其支撑所述显示面板；以及

图像感测装置，其通过检测从位于所述显示面板上侧的被摄体反射的光来感测所述被摄体的图像，

并且，所述图像感测装置包括：

图像传感器，其位于所述显示面板的下侧，且以不同的曝光时间拍摄所述被摄体来生成至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧并进行输出；以及

光偏差补偿部，其对所述至少一个高曝光帧和所述至少一个低曝光帧的像素值进行修正，通过结合修正像素值的至少一个高曝光帧和至少一个低曝光帧来生成一个最终图像帧。

10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，

所述图像传感器对于相同的被摄体生成一个高曝光帧和一个低曝光帧并进行输出，

所述光偏差补偿部对于所述一个高曝光帧及所述一个低曝光帧的各个像素进行修正，即将从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值作为该像素的值。

11.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，

所述图像传感器对于相同的被摄体连续生成多对帧对并进行输出，其中将一个高曝光帧和一个低曝光帧作为一对帧对，

针对每对帧对，所述光偏差补偿部对于该帧对的高曝光帧和低曝光帧的各个像素进行修正，即将从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值作为该像素的值。

12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，

所述光偏差补偿部按照各个帧对来结合所修正的高曝光帧和所修正的低曝光帧，并通过合计所结合的图像帧来生成所述最终图像帧。

13.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，

所述图像传感器生成多个高曝光帧和多个低曝光帧并进行输出，

所述光偏差补偿部对于所述多个高曝光帧和多个低曝光帧的各个像素进行修正，即将从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值作为该像素的值。

14.根据权利要求13所述的显示装置，其特征在于，

所述图像传感器通过结合所修正的多个高曝光帧和所修正的多个低曝光帧来生成所述最终图像帧。

15.根据权利要求10、12以及14中的任一项所述的显示装置，其特征在于，

对于各个高曝光帧及各个低曝光帧的各个像素，所述光偏差补偿部从该像素值中减去以该像素为中心的n×n像素的平均值或者最小值，其中n为自然数。

16.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，

所述光偏差补偿部在所述最终图像帧添加预设定偏移值。

17.一种图像感测装置，其特征在于，包括：

图像传感器，其拍摄被摄体来生成并输出多个原始图像帧；以及

光偏差补偿部，其对所述多个原始帧的各个像素进行修正，通过合计修正像素值的多个原始帧来生成一个最终图像帧。

18.根据权利要求17所述的图像感测装置，其特征在于，

对于各个图像帧的各个像素，所述光偏差补偿部将从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值修正为该像素的值。

19.一种显示装置，其特征在于，包括：

显示面板，其显示图像影像；

主体，其支撑所述显示面板；以及

图像感测装置，其通过检测从位于所述显示面板上侧的被摄体反射的光来感测所述被摄体的图像，

并且，所述图像感测装置包括：

图像传感器，其拍摄被摄体来生成并输出多个原始图像帧；以及

光偏差补偿部，其对所述多个原始帧的各个像素进行修正，通过合计修正像素值的多个原始帧来生成一个最终图像帧。

20.根据权利要求19所述的显示装置，其特征在于，

对于各个图像帧的各个像素，所述光偏差补偿部将从该像素值中减去包括该像素的规定范围内的像素的平均值或者最小值的值修正为该像素的值。