CN113038045A - 影像传感器及其感测方法 - Google Patents

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CN113038045A CN202011409705.0A CN202011409705A CN113038045A CN 113038045 A CN113038045 A CN 113038045A CN 202011409705 A CN202011409705 A CN 202011409705A CN 113038045 A CN113038045 A CN 113038045A
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CN
China
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incident light
image sensor
electrons
photoelectric conversion
polarization direction
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印秉宏
王佳祥
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Guangzhou Tyrafos Semiconductor Technologies Co Ltd
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Abstract

本发明关于一种影像传感器及其感测方法。其中，所述影像传感器包括基板、单位像素、第一偏振片、第二偏振片以及读出电路。首先，入射光发射至影像传感器，并且第一偏振片将入射光转换为第一入射光，第二偏振片将入射光转换为第二入射光；接着，第一偏振片所覆盖的单位像素的光电转换组件接收第一入射光后产生第一电子，第二偏振片所覆盖的单位像素的光电转换组件接收第二入射光后产生第二电子；之后，读出电路将第一电子以及第二电子执行相减以及积分运算后产生对应于实际讯号的电子数量的电压讯号；最后，重复执行上述步骤。借此，本发明的影像传感器增加等效单位像素的满阱容量，以提升本发明的影像传感器的信噪比。

Description

影像传感器及其感测方法
本发明要求申请日为2019年12月09日，申请号为62/945,250的美国地区的专利申请的优先权。
技术领域
本发明有关于一种影像传感器，特别是关于一种应用于指纹感测的影像传感器及其影像感测方法。
背景技术
近年来，得益于辅助驾驶、人脸识别、虚拟与扩增实境等相关技术领域市场的快速发展和带动，互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像传感器市场规模正在不断扩大，并且针对目前市场上的应用方面而言，智能型手机仍然是应用CMOS影像传感器最大的终端应用市场。
然而，随着人们对于智能型手机更加轻薄的需求，以及CMOS影像传感器设计和制程技术的成熟，目前CMOS影像传感器在智能型手机内部所能占用的组件体积日益减少，对于较小尺寸的CMOS影像传感器而言，由于熟知的浅沟槽和离子注入电学隔离受制于制程技术，使得CMOS影像传感器的组件体积进行缩减后，导致CMOS影像传感器的填充因子下降，同时造成CMOS影像传感器的满阱容量降低。有鉴于此，如何使CMOS影像传感器具有较佳的信噪比则为研发人员应解决的问题之一。
此外，当使用CMOS影像传感器应用于光学指纹辨识的环境中，指纹影像是一种由许多弯曲线条所组成的图案，指纹影像指纹特征的正确与否将影响整个装置的精确度，然而CMOS影像传感器在接收指纹影像时，背景光相比于实际讯号占据过多的满阱容量的百分比，如此一来，将影响指纹影像中指纹特征的判别，进而影响光学指纹辨识的精确度。
因此，本案发明人在观察上述缺失后，而遂有本发明的产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种影像传感器，其能通过第一偏振片及第二偏振片分别覆盖的光电二极管所产生的电子数量，分别通过读出电路运算产生第一电压讯号及第二电压讯号，并将第一电压讯号以及第二电压讯号进行相减运算，以消除背景噪声感测电压讯号，借此根据本发明的影像传感器，可以增加等效单位像素满阱容量，使得根据本发明的影像传感器具有较佳的信噪比。
为达上述目的，本发明提供一种影像传感器，包括：一基板；多个单位像素，设置于该基板上，所述多个单位像素中的每一个皆包含有一光电转换组件，该光电转换组件接收该入射光后产生电子；多个第一偏振片，设置于所述多个单位像素的一部分上，所述多个第一偏振片中的每一个皆覆盖一部分所述多个单位像素中的每一个，所述多个第一偏振片用于使该入射光变为具有一第一偏极方向的一第一入射光，该光电转换组件接收该第一入射光后产生多个第一电子；多个第二偏振片，设置于所述多个单位像素的另一部分上，所述多个第二偏振片中的每一个皆覆盖另一部分所述多个单位像素中的每一个，所述多个第二偏振片用于使多束入射光变为具有一第二偏极方向的一第二入射光，该光电转换组件接收该第二入射光后产生多个第二电子；以及多个读出电路，耦接于所述多个单位像素，该读出电路将该第一电子以及该第二电子执行相减以及积分运算后，该读出电路产生一电压讯号；其中，该入射光包含有一实际讯号以及一背景噪声，该读出电路产生的该电压讯号对应于该实际讯号的电子数量。
较佳地，根据本发明的影像传感器，应用于光学指纹辨识的环境中。
较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，该光电转换组件为铰接光二极管(pinned photo diode，PPD)。
较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，所述多个单位像素进一步包含有：一电荷转移组件，耦接于该光电转换组件，所述电荷转移组件将电子转移至该读出电路；以及一电荷重置组件，耦接于该光电转换组件，该电荷重置组件用于重置该电荷转移组件中所储存的电子。
较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，所述多个单位像素进一步包含有一源极随耦器(source follower)，耦接于该电荷转移组件以及该电荷重置组件，该源极随耦器(source follower)用于降低寄生电容的效应。
较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，该实际讯号所对应的该入射光的偏极方向与该第一偏极方向相同，然而本发明不限于此。
较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，该实际讯号所对应的该入射光的偏极方向与该第一偏极方向的夹角小于45度，然而本发明不限于此。
较佳地，根据本发明之影像传感器，其中，该实际讯号不远大于该背景噪声。较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，该第一偏振片与该第二偏振片由双折射材料与金属光栅的其中之一制成，然而本发明不限于此。
较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，该第一偏极方向及该第二偏极方向相互正交，然而本发明不限于此。
较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，该第一入射光包含有一第一背景光，一第一背景噪声对应于该第一背景光所产生的电子数量，并且一第二入射光包含有一第二背景光，该第二背景噪声对应于该第二背景光所产生的电子数量，该第一背景噪声与该第二背景噪声相同或相近，并且该第一背景光与该第二背景光的偏极方向不同，然而本发明不限于此。较佳地，根据本发明的影像传感器，其中，该读出电路为差动积分器。
又，为达上述目的，本发明根据上述影像传感器为基础，进一步提供一种显示设备，包括：一显示面板，具有一显示区；以及上述影像传感器，设置在该显示面板上，其中，该影像传感器对应地与该显示区重叠。
较佳地，根据本发明的显示设备，其中，该显示面板为液晶显示面板、有机电致发光显示面板、有机发光二极管显示面板、或微发光二极管显示面板，然而本发明不限于此。
又，为达上述目的，本发明根据上述影像传感器为基础，进一步提供一种执行消除背景噪声的感测方法，包含有：一偏极化步骤，一入射光发射至一影像传感器，多个第一偏振片将该入射光转换为一第一入射光，多个第二偏振片将该入射光转换为一第二入射光；一转换步骤，所述多个第一偏振片所覆盖的所述多个单位像素的该光电转换组件，用于接收该第一入射光后产生一第一电子，所述多个第二偏振片所覆盖的所述多个单位像素的该光电转换组件，用于接收该第二入射光后产生一第二电子；一消除步骤，一读出电路将该第一电子以及该第二电子执行相减以及积分运算后，该读出电路产生对应于电子数量的一电压讯号；以及重复执行上述的偏极化步骤、转换步骤、以及消除步骤N次，其中，N为0以及正整数其中之一，以产生较佳的信噪比(SNR,Signal-to-noise ratio)。较佳地，根据本发明的感测方法，应用于光学指纹辨识的环境中。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该光电转换组件为铰接光二极管(pinnedphoto diode，PPD)。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该感测方法进一步包含下列步骤：一重置步骤，通过耦接于该电荷转移组件的一电荷重置组件，该电荷重置组件重置该光电转换组件中所储存的电子；以及一转移步骤，通过耦接于该光电转换组件的一电荷转移组件，该电荷转移组件将电子转移至该读出电路。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，所述多个单位像素进一步包含有一源极随耦器(source follower)，耦接于该电荷转移组件以及该电荷重置组件，该源极随耦器(source follower)用于降低寄生电容的效应。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该实际讯号所对应的该入射光的偏极方向与该第一偏极方向相同。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该实际讯号所对应的该入射光的偏极方向与该第一偏极方向的夹角小于45度。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该实际讯号不远大于该背景噪声。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该第一偏振片与该第二偏振片由双折射材料与金属光栅的其中之一制成，然而本发明不限于此。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该第一偏极方向及该第二偏极方向相互正交，然而本发明不限于此。
较佳地，根据本发明的感测方法，其中，该第一入射光包含有一第一背景光，一第一背景噪声对应于该第一背景光所产生的电子数量，并且该第二入射光包含有一第二背景光，一第二背景噪声对应于该第二背景光所产生的电子数量，该第一背景噪声与该第二背景噪声相同或相近，并且该第一背景光与该第二背景光的偏极方向不同，然而本发明不限于此。
较佳地，根据本发明之感测方法，其中，该读出电路为差动积分器。
综上，本发明所提供的影像传感器及其感测方法，主要利用本发明的影像传感器并搭配消除背景噪声的感测方法，从而增加等效单位像素的满阱容量，使得根据本发明的影像传感器可以容纳更多的有效电子，借此提升本发明的影像传感器的信噪比。
为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，兹通过下述具体实施例，并配合所附的图式，对本发明详加说明如下。
附图说明
图1为根据本发明的影像传感器的示意图；
图2为说明根据本发明的单位像素的满阱容量示意图；
图3为说明执行本发明的感测方法的步骤流程图；
图4为根据本发明第一实施例的影像传感器的系统示意图；
图5为说明根据本发明第一实施例的影像传感器的位置示意图；
图6为说明根据本发明第一实施例的影像传感器的架构示意图；
图7为根据本发明第一实施例的影像传感器的示意性电路方块图；
图8为说明执行根据本发明第一实施例的感测方法的步骤流程图；
图9为说明执行本发明第一实施例的影像传感器的感测方法的时序图；
图10为说明根据本发明第二实施例的影像传感器；
图11为说明根据本发明第三实施例的影像传感器；
图12为说明根据本发明第四实施例的影像传感器；
图13为说明根据本发明第五实施例的影像传感器；
图14为根据本发明以较佳实施例的显示设备的结构示意图。
【符号说明】
100:影像传感器
11:基板
12:单位像素
121:光电转换组件
122:电荷转移组件
123:电荷重置组件
13:第一偏振片
14:第二偏振片
15:读出电路
21:增益放大器
22:源极随耦器
23:选择闸
200:指纹影像
300:显示面板
400:显示设备
L1:满阱容量的限制
L2:第一电子数量
Ls:对应于实际讯号Rs的电子数量
LB:对应于背景光RB的电子与暗电流贡献的电子数量
R:入射光
R1:第一入射光
R2:第二入射光
RB:背景光
Rs:实际讯号
S1:偏极化步骤
S2:感测步骤
S3:消除步骤
S1′:重置步骤
S2′:偏极化步骤
S3′:转换步骤
S4′:转移步骤
S5′:消除步骤
φ1:电路
φ2:电路
φ1d:电路
φ2d:电路
φop_rst:电路
CS:电容
Cf:电容
具体实施方式
现在将参照其中示出本发明概念的示例性实施例的附图在下文中更充分地阐述本发明概念。以下通过参照附图更详细地阐述的示例性实施例，本发明概念的优点及特征以及其达成方法将显而易见。然而，应注意，本发明概念并非仅限于以下示例性实施例，而是可实施为各种形式。因此，提供示例性实施例仅是为了揭露本发明概念并使熟悉此项技术者了解本发明概念的类别。在图式中，本发明概念的示例性实施例并非仅限于本文所提供的特定实例且为清晰起见而进行夸大。
本文所用术语仅用于阐述特定实施例，而并非旨在限制本发明。除非上下文中清楚地另外指明，否则本文所用的单数形式的用语「一」及「该」旨在亦包括多个形式。本文所用的用语「及/或」包括相关所列项其中一或多者的任意及所有组合。应理解，当称组件「连接」或「耦合」至另一组件时，所述组件可直接连接或耦合至所述另一组件或可存在中间组件。
相似地，应理解，当称一个组件(例如层、区或基板)位于另一组件「上」时，所述组件可直接位于所述另一组件上，或可存在中间组件。相比之下，用语「直接」意指不存在中间组件。更应理解，当在本文中使用用语「包括」、「包含」时，是表明所陈述的特征、整数、步骤、操作、组件、及/或组件的存在，但不排除一或多个其他特征、整数、步骤、操作、组件、组件、及/或其群组的存在或添加。
此外，将通过作为本发明概念的理想化示例性图的剖视图来阐述详细说明中的示例性实施例。相应地，可根据制造技术及/或可容许的误差来修改示例性图的形状。因此，本发明概念的示例性实施例并非仅限于示例性图中所示出的特定形状，而是可包括可根据制造制程而产生的其他形状。图式中所例示的区域具有一般特性，且用于说明组件的特定形状。因此，此不应被视为仅限于本发明概念的范围。
亦应理解，尽管本文中可能使用用语「第一」、「第二」、「第三」等来阐述各种组件，然而该些组件不应受限于该些用语。该些用语仅用于区分各个组件。因此，某些实施例中的第一组件可在其他实施例中被称为第二组件，而此并不背离本发明的教示内容。本文中所阐释及说明的本发明概念的态样的示例性实施例包括其互补对应物。本说明书通篇中，相同的参考编号或相同的指示物表示相同的组件。
此外，本文中参照剖视图及/或平面图来阐述示例性实施例，其中所述剖视图及/或平面图是理想化示例性说明图。因此，预期存在由例如制造技术及/或容差所造成的相对于图示形状的偏离。因此，示例性实施例不应被视作仅限于本文中所示区的形状，而是欲包括由例如制造所导致的形状偏差。因此，图中所示的区为示意性的，且其形状并非旨在说明装置的区的实际形状、亦并非旨在限制示例性实施例的范围。
图1为根据本发明的影像传感器的示意图。如图1所示，根据本发明的影像传感器100包括：基板11、单位像素12、第一偏振片13、第二偏振片14、以及读出电路15。
具体地，根据本发明的影像传感器100，其可以应用于指纹辨识及人脸辨识等方面，此外，根据本发明的该影像传感器100可以是背照式CMOS影像传感器或前照式CMOS影像传感器，然而本发明不限于此。
具体地，请参阅图1所示，所述多个单位像素12，设置于基板11上，并且所述多个单位像素12中的每一个皆包含有至少一光电转换组件121。其中，该光电转换组件121接收入射光R以产生电子，并且该光电转换组件121也具有累积上述电子的能力，然而本发明不限于此。
具体地，光电转换组件121可以是产生及累积对应于入射光R的电子的组件。举例而言，光电转换组件121可以选自光电二极管、光电晶体管(photo transistor)、光电闸(photo gate)、铰接光二极管(pinned photo diode；PPD)其中之一或其组合。需要进一步说明的是，光电转换组件121的电荷储存容量有其极限，造成单位像素12具有满阱容量(full well capacity,FWC)的限制。
具体地，单位像素12，其系可以是具有一个晶体管的结构。在一些实施例中，该单位像素12可以是具有三个晶体管的结构。举例来说，单位像素12可以形成3T-APS(3transistor-Active Pixel Sensor)结构，此外也可以使用其他适合的晶体管结构。举例来说，在一些实施例中，该单位像素12可以是具有四个晶体管的结构，例如形成4T-APS(4transistor-Active Pixel Sensor)结构。然而，本发明不限于此
具体地，请参阅图1所示，该第一偏振片13，设置于所述多个单位像素的一部分上，多个第一偏振片13中的每一个皆覆盖所述多个单位像素12中的一部分，该第一偏振片13用于使多束入射光R变为具有第一偏极方向(图未示)的第一入射光R1，并且该光电转换组件121接收第一入射光R1后产生第一电子(图未示)。
具体地，请参阅图1所示，该第二偏振片14，设置于所述多个单位像素的另一部分上，多个第二偏振片14中的每一个皆覆盖所述多个单位像素12中的另一部分，该第二偏振片用于使所述多束入射光R变为具有第二偏极方向(图未示)的第二入射光R2，并且该光电转换组件121接收第二入射光R2后产生第二电子(图未示)。
具体地，在本发明一些较佳实施例中，该第一偏极方向与该第二偏极方向相互正交，并且该第一偏振片13与该第二偏振片14可以是由双折射材料与金属光栅的其中之一所制成，然而本发明不限于此。
具体地，该读出电路15，耦接于所述多个单位像素12，读出电路15将该第一电子以及该第二电子执行相减以及积分运算后，该读出电路15产生对应于电子数量的电压讯号(图未示)。
请参阅图2所示，图2为说明根据本发明的单位像素的满阱容量示意图。如图2所示，L1表示光电转换组件121所具有的满阱容量(full well capacity,FWC)的限制，L2表示光电转换组件121接收具有第一偏极方向的第一入射光R1后产生的第一电子数量(图未示)。第一入射光R1中包含实际讯号Rs与背景光RB，而实际讯号Rs具有某种程度的偏极化，实际讯号Rs的偏极方向与第一偏振片偏极方向相同或夹角小于45度，另该背景光RB为无偏极化。具体地，L2中包含实际讯号Rs所产生的电子数量Ls以及背景光RB所产生的电子数量LB，其中，Ls表示光电转换组件121产生对应于实际讯号Rs的电子数量。并且LB表示光电转换组件121产生对应于背景光RB的电子与暗电流贡献的电子数量。此时，当实际讯号Rs不远大于背景光RB时，会使得单位像素12的满阱容量容易因背景光RB而饱和，造成影像传感器无法取得较佳的信噪比。
值得一提的是，在本实施中，所指称的指纹辨识应用即表示为指纹讯号不远大于背景的情况，然而本发明不限于此。
有鉴于此，根据本发明的影像传感器100通过第一偏振片13覆盖所述多个单位像素12的一部分，并且通过第二偏振片14覆盖所述多个单位像素12的另一部分，以分别积分单位时间内所累积及储存的电子，其中，第一偏振片13所覆盖的一部分的所述多个单位像素12所储存的所述多个第一电子积分后为第一电子数量(图未示)，第二偏振片14所覆盖的另一部分的所述多个单位像素12所储存的所述多个电子积分后为第二电子数量(图未示)。
需要进一步说明的是，第一入射光R1包含有第一背景光(图未示)，且第二入射光R2包含有第二背景光(图未示)，其中，第一电子数量包括第一背景光所造成的第一背景噪声(图未示)，并且该第二电子数量包括第二背景光所造成的第二背景噪声(图未示)，其中该第一背景噪声与该第二背景噪声相同或相近，并且该第一背景光与该第二背景光的偏极方向不同，，因此读出电路15可以透过将第一电子数量及第二电子数量执行进行相减运算，以消除背景光RB以及暗电流所造成单位像素12储存及累积的电子的数量，该读出电路15产生的电压讯号为对应于实际讯号Rs，不包含背景噪声。
值得一提的是，在屏下(under display)光学指纹辨识应用中，根据本发明而消除的背景噪声可包含莫列波纹(moire pattern)与OLED面板的图案，然而本发明不限于此。
请参阅图3所示，图3为说明执行本发明的感测方法的步骤流程图。如图3所示，本发明进一步提供一种感测方法，其可以应用于上述的影像传感器100，该感测方法包含下列步骤：
偏极化步骤S1，入射光R发射至影像传感器100，第一偏振片13将入射光R转换为第一入射光R1，第二偏振片14将入射光R转换为第二入射光R2，接着执行转换步骤S2。
转换步骤S2，通过第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121，用于接收第一入射光R1后产生第一电子，通过所述多个第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121，用于接收第二入射光R2后产生第二电子，接着执行消除步骤S3。
消除步骤S3，读出电路15将该第一电子以及该第二电子执行相减以及积分运算后，该15产生对应于电子数量的电压讯号。
最后，重复执行上述步骤，其方式及原理同上所述，在此不再重复说明。值得一提的是，通过重复执行上述步骤，可不断积分实际讯号Rs但不积分背景噪声。此外，本发明的感测方法也可以仅执行一次偏极化步骤S1、转换步骤S2、消除步骤S3，然而本发明不限于此。
借此，以根据本发明的影像传感器100为基础，并搭配本发明所提供的感测方法，可以成功消除背景光RB所产生的电子以及环境中热能所产生的暗电流，达成在不改变满阱容量的大小的情况下等效增进单位像素12的满阱容量的功效，使得根据本发明的影像传感器100可以容纳更多的有效电子，从而提升本发明的影像传感器100的信噪比。
(第1实施例)
以下，参照图式，说明本发明的影像传感器100的第一实施的实施形态。
请参阅图4所示，图4为根据本发明第一实施例的影像传感器的系统示意图。如图4所示，根据本发明第一实施例的影像传感器100，应用于指纹感测系统，该影像传感器100包括：基板11、单位像素12、第一偏振片13、第二偏振片14、以及读出电路15。
具体地，请参阅图5所示，图5为说明根据本发明第一实施例的影像传感器的位置示意图。如图5所示，该第一偏振片13，设置于所述多个单位像素的一部分上，所述多个第一偏振片中的每一个皆覆盖至少一单位像素，当该指纹影像200产生多束入射光R时，该第一偏振片用于使所述多束入射光R变为具有第一偏极方向(图未示)的第一入射光R1。需要进一步说明的是，在本实施例中，第一偏极方向设置为指纹影像200的偏极方向，然而本发明不限于此。
具体地，如图4所示，该第二偏振片14，设置于所述多个单位像素的另一部分上，该第二偏振片中的每一个皆覆盖至少一所述多个单位像素，当该指纹影像200产生多束入射光R时，该第二偏振片用于使所述多束入射光R变为具有第二偏极方向(图未示)的第二入射光R2。
需要进一步说明的是，在本实施例中，该第一偏极方向及该第二偏极方向相互正交，然而使用者可视自身所使用的系统需求，任意选择第一偏极方向及第二偏极方向，然而本发明不限于此。
需要进一步说明的是，在本实施例中，该第一偏极方向及该第二偏极方向也可为相互正交的左旋右旋偏极方向，然而本发明不限于此。
具体地，请参阅图6所示，图6为说明根据本发明第一实施例的影像传感器的架构示意图。在本实施例中，单位像素12进一步包含有电荷转移组件122以及电荷重置组件123。其中，电荷转移组件122，耦接于光电转换组件121，电荷转移组件122将电子转移至读出电路15；电荷重置组件123，耦接于该电荷转移组件122，该电荷重置组件123用于重置光电转换组件121中所储存的电荷。
需要进一步说明的是，根据本发明的影像传感器100所累积的有效电子计算方式如下列公式所示，参阅公式(1)，pixel_1表示第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121接收第一入射光R1后所产生的第一电子，100％SIG表示由于第一偏极方向与指纹影像200的偏极方向一致，因此第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121可以产生百分之的指纹影像200的电子，50％BGL表示由于背景光RB可以是具有任意偏极方向，因此第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121仅产生百分之五十的背景光RB的电子；参阅公式(2)，pixel_2系表示第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121接收第二入射光R2后所产生的第二电子，0％SIG表示由于第一偏极方向与指纹影像200的偏极方向一致，且第一偏极方向与第二偏极方向相互正交，因此第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121没有接收到任何的指纹影像200，50％BGL表示由于背景光RB可以是具有任意偏极方向，因此第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121可以产生另一部百分之五十的背景光RB的电子；参阅公式(3)所示，可以理解的是，根据本发明的读出电路可以将公式(1)与公式(2)通过运算，使用者可以得到百分之百由指纹影像200所产生的电子，然而本发明不限于此。
"pixel_1＝"100％SIG+50％BGL……..公式(1)
"pixel_2＝"0％SIG+50％BGL……..公式(2)
"pixel_1"-"pixel_2＝"100％SIG……..公式(3)
请参阅图7所示，图7为根据本发明第一实施例的影像传感器的示意性电路方块图。如图7所示，读出电路15内部的电路φ1、电路φ1d将第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121所产生的第一电荷以及第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121所产生的第二电荷分别储存至读出电路15内部的电容CS，读出电路15内部的电路φ2、电路φ2d将该第一电荷以及该第二电荷转移至电容Cf，使读出电路15执行相减运算。电路φ1d的控制时序为电路φ1控制时序的延迟，电路φ2d的控制时序为电路φ2控制时序的延迟，读出电路15内部的电路φop_rst作为重置该读出电路15中的运算放大器。借此，读出电路15可产生对应于真正讯号的电压讯号，成功消除背景光RB所产生的电子以及环境中热能所产生的暗电流。另外，通过重复上述操作，可以不断地对电压讯号积分，等效上即是对真正的讯号积分，达成在不改变满阱容量的大小的情况下增进等效单位像素12的满阱容量的功效，然而本发明不限于此。
请参阅图8所示，图8为说明执行根据本发明第一实施例的感测方法的步骤流程图。如图8所示，本发明进一步提供一种感测方法，可以应用于上述的影像传感器100，该影像感测方法包含下列步骤：
重置步骤S1′，通过耦接于电荷转移组件122的电荷重置组件123，电荷重置组件123重置光电转换组件121中所储存的电子，接着执行偏极化步骤S2′。
偏极化步骤S2′，入射光R发射至影像传感器100，第一偏振片13将入射光R转换为第一入射光R1，第二偏振片14将入射光R转换为第二入射光R2，接着执行转换步骤S3′。
转换步骤S3′，通过第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121，用于接收第一入射光R1后产生第一电子，通过所述多个第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121，用于接收第二入射光R2后产生第二电子，接着执行转移步骤S4′。
转移步骤S4′，通过耦接于光电转换组件121的光电子转移组件122，光电子转移组件122将光电子转移至读出电路15，接着执行消除步骤S5′。
消除步骤S5′，读出电路15将该第一电子以及该第二电子执行相减以及积分运算后，该读出电路15产生对应于电子数量的电压讯号。
最后，重复执行上述步骤，其方式及原理同上所述，在此不再重复说明。
举例而言，请参阅图9，并且搭配图4至图8所示，图9为说明执行本发明第一实施例的影像传感器的感测方法的时序图。如图9所示，首先，入射光R发射至影像传感器100，而电荷转移组件122、电荷重置组件123、电路φop_rst启动以进行光电转换组件121与读出电路15的重置；接着，通过单位像素12中的光电转换组件121接收入射光R后产生电子，其中通过所述多个第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121，接收第一入射光R1后产生第一电子，通过所述多个第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121，接收第二入射光R2后产生第二电子；接着，通过耦接于光电转换组件121的电荷转移组件122启动以将电子转移至读出电路15；同时，电路φop_rst启动以重置该读出电路15中所储存的电子；之后，电路φ1以及电路φ1d先后启动，以将第一偏振片13所覆盖的单位像素12的光电转换组件121所产生的第一电子以及第二偏振片14所覆盖的单位像素12的光电转换组件121所产生的第二电子分别转移至电容CS；随后，电路φ2以及电路φ2d先后启动，以将该第一电子以及该第二电子转移至电容Cf，使运算单元15执行相减运算；借此，使得根据本发明的影像传感器100储存百分之百由指纹影像200所产生的电子，然而本发明不限于此。最后，重复执行上述步骤以进行积分运算，使得根据本发明的影像传感器100重复接收入射光R，然而本发明不限于此。
如此一来，通过本发明第一实施例的影像传感器100为基础，并搭配本发明所提供的感测方法，可以成功消除背景光RB所产生的电子以及环境中热能所产生的暗电流的电子，达成在不改变满阱容量的大小的情况下增进等效单位像素12的满阱容量的功效，使得根据本发明第一实施例的影像传感器100可以容纳更多的有效电子，从而提升本发明的影像传感器100的信噪比。
以下提供影像传感器100的其他示例，以使本发明所属技术领域中具有通常知识者更清楚的理解可能的变化。以与上述实施例相同的组件符号指示的组件实质上相同于上述参照图6所叙述者。与影像传感器100相同的组件、特征、和优点将不再赘述。
请参阅图10所示，其为说明根据本发明第二实施例的影像传感器100。第二实施例相较于第一实施例，第二实施例的主要结构差异在于，第二实施例的影像传感器100，其中该单位像素12可以是具有四个晶体管的结构，也就是具备电荷重置组件123(resetdevice)，电荷转移组件122(charge transfer device)，源极随耦器22(source follower)和选择闸23(select gate)。通过源极随耦器(source follower)可以降低寄生电容的效应。根据本发明第二实施例的单位像素12所使用的材料和其他特性类似于根据本发明第一实施例的单位像素12，在此不再赘述。
请参阅图11所示，其为说明根据本发明第三实施例的影像传感器100。第三实施例相较于第二实施例，第三实施例的主要结构差异在于，选择闸23(select gate)的位置不同。第三实施例的影像传感器100，其中该单位像素12具有四个晶体管的结构，其结构原理类似于根据本发明第二实施例的单位像素12，并且根据本发明第三实施例的单位像素12所使用的材料和其他特性类似于根据本发明第一实施例的单位像素12，在此不再赘述。
请参阅图12所示，为说明根据本发明第四实施例的影像传感器100。第四实施例相较于第三实施例，第四实施例的主要结构差异在于，第四实施例的影像传感器100，其中更包含了增益放大器21(gain amplifier)。增益放大器21接收单位像素12的讯号并进行放大，如此一来，讯噪比将可更进一步提升。根据本发明第四实施例的单位像素12所使用的材料和其他特性类似于根据本发明第一实施例的单位像素12，在此不再赘述。
请参阅图13所示，为说明根据本发明第五实施例的影像传感器100。第五实施例相较于第四实施例，第五实施例的主要结构差异在于，第五实施例的影像传感器100，其中该增益放大器21为差动形式(differential type)，因此其对于来自电源的噪声的抑制能力较佳。根据本发明第五实施例的单位像素12所使用的材料和其他特性类似于根据本发明第一实施例的单位像素12，在此不再赘述。
可以理解的是，本发明所属技术领域中具有通常知识者能够基于上述示例再作出各种变化和调整，在此不再一一列举。
以下将说明根据本发明的影像传感器应用在显示设备的实施例。
请参照图14，图14为根据本发明一较佳实施例的显示设备的结构示意图。显示设备400包括一显示面板300和影像传感器100。显示面板400具有一显示区。影像传感器件100设置在显示面板300上。影像传感器件100对应地与显示区重叠。具体来说，显示面板300可以但不限于为液晶显示面板(LCD)、有机电致发光显示面板、有机发光二极管显示面板、或微发光二极管显示面板(μLED display)。
最后，再将本发明的技术特征及其可达成的技术功效汇整如下：
其一，通过本发明的影像传感器100为基础，并搭配本发明所提供的感测方法，成功消除背景光RB所产生的电子以及环境中热能所产生的暗电流的电子，达成在不改变满阱容量的大小的情况下增进等效单位像素12的满阱容量的功效。
其二，根据本发明的影像传感器100，通过消除背景光RB所产生的电子以及环境中热能所产生的暗电流的电子，使得根据本发明的影像传感器100可以容纳更多的有效电子，从而提升本发明的影像传感器100的信噪比。
其三，解决背景噪声相比于实际讯号Rs占据过多的满阱容量的百分比的问题，通过消除背景光RB所产生的电子以及环境中热能所产生的暗电流的电子，提升本发明的影像传感器100的信噪比，进而提升光学指纹辨识的精确度。
以上是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，所属技术领域具有通常知识者可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的专利范围内。

Claims (26)

1.一种影像传感器，用于接收一入射光，其特征在于，所述影像传感器包括：
一基板；
多个单位像素，设置于所述基板上，所述多个单位像素中的每一个皆包含有一光电转换组件，所述光电转换组件接收所述入射光后产生电子；
多个第一偏振片，设置于所述多个单位像素的一部分上，所述多个第一偏振片中的每一个皆覆盖一部分所述多个单位像素中的每一个，所述多个第一偏振片用于使所述入射光变为具有一第一偏极方向的一第一入射光，所述光电转换组件接收所述第一入射光后产生多个第一电子；
多个第二偏振片，设置于所述多个单位像素的另一部分上，所述多个第二偏振片中的每一个皆覆盖另一部分所述多个单位像素中的每一个，所述多个第二偏振片用于使所述入射光变为具有一第二偏极方向的一第二入射光，所述光电转换组件接收所述第二入射光后产生多个第二电子；以及
多个读出电路，耦接于所述多个单位像素，所述多个读出电路将所述多个第一电子以及所述多个第二电子执行相减以及积分运算后，所述读出电路产生一电压讯号；
其中，所述入射光包含有一实际讯号以及一背景噪声，所述多个读出电路产生的所述电压讯号对应于所述实际讯号的电子数量。
2.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，应用于光学指纹辨识的环境中。
3.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述光电转换组件为铰接光二极管(pinned photo diode，PPD)。
4.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述多个单位像素进一步包括有：
一电荷转移组件，耦接于所述光电转换组件，所述电荷转移组件将电子转移至所述读出电路；以及
一电荷重置组件，耦接于所述电荷转移组件，所述电荷重置组件用于重置所述光电转换组件中所储存的电子。
5.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述多个单位像素进一步包含有一源极随耦器(source follower)，耦接于电荷转移组件以及所述电荷重置组件，所述源极随耦器(source follower)用于降低寄生电容的效应。
6.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述实际讯号所对应的所述入射光的偏极方向与所述第一偏极方向相同。
7.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述实际讯号所对应的所述入射光的偏极方向与所述第一偏极方向的夹角小于45度。
8.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述实际讯号不远大于所述背景噪声。
9.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述第一偏振片与所述第二偏振片由双折射材料与金属光栅的其中之一制成。
10.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述第一偏极方向及所述第二偏极方向相互正交。
11.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述第一入射光包含有一第一背景光，一第一背景噪声对应于所述第一背景光所产生的电子数量，并且一第二入射光包含有一第二背景光，一第二背景噪声对应于所述第二背景光所产生的电子数量，所述第一背景噪声与所述第二背景噪声相同或相近，并且所述第一背景光与所述第二背景光的偏极方向不同。
12.根据权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，所述读出电路为差动积分器。
13.一种显示设备，其特征在于，包括：
一显示面板，具有一显示区；以及
如权利要求1至12中任一项所述的影像传感器，设置在所述显示面板上，其中，所述影像传感器对应地与所述显示区重叠。
14.根据权利要求13所述的显示设备，其特征在于，所述显示面板为液晶显示面板、有机电致发光显示面板、有机发光二极管显示面板、或微发光二极管显示面板。
15.一种感测方法，其特征在于，包括下列步骤：
一偏极化步骤，一入射光发射至一影像传感器，多个第一偏振片将所述入射光转换为一第一入射光，多个第二偏振片将所述入射光转换为一第二入射光；
一转换步骤，所述多个第一偏振片所覆盖的所述多个单位像素的光电转换组件，用于接收所述第一入射光后产生一第一电子，所述多个第二偏振片所覆盖的所述多个单位像素的所述光电转换组件，用于接收所述第二入射光后产生一第二电子；
一消除步骤，一读出电路将所述第一电子以及所述第二电子执行相减以及积分运算后，所述读出电路产生对应于电子数量的一电压讯号；以及
重复执行上述的偏极化步骤、转换步骤以及消除步骤N次，其中N为0以及正整数其中之一。
16.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，应用于光学指纹辨识的环境中。
17.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，所述光电转换组件为铰接光二极管(pinned photo diode，PPD)。
18.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：
一重置步骤，通过耦接于电荷转移组件的一电荷重置组件，所述电荷重置组件重置所述光电转换组件中所储存的电子；以及
一转移步骤，通过耦接于所述光电转换组件的一电荷转移组件，所述电荷转移组件将电子转移至所述读出电路。
19.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，所述多个单位像素进一步包含有一源极随耦器(source follower)，耦接于电荷转移组件以及所述电荷重置组件，所述源极随耦器(source follower)用于降低寄生电容的效应。
20.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，实际讯号所对应的所述入射光的偏极方向与所述第一偏极方向相同。
21.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，实际讯号所对应的所述入射的偏极方向与所述第一偏极方向的夹角小于45度。
22.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，实际讯号不远大于背景噪声。
23.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，所述第一偏振片与所述第二偏振片由双折射材料与金属光栅的其中之一制成。
24.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，所述第一偏极方向及所述第二偏极方向相互正交。
25.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，所述第一入射光包括有一第一背景光，一第一背景噪声对应于所述第一背景光所产生的电子数量，并且所述第二入射光包含有一第二背景光，一第二背景噪声对应于所述第二背景光所产生的电子数量，所述第一背景噪声与所述第二背景噪声相同或相近，并且所述第一背景光与所述第二背景光的偏极方向不同。
26.根据权利要求15所述的感测方法，其特征在于，所述读出电路为差动积分器。
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