CN113395464B - 图像传感器及其控制方法 - Google Patents

图像传感器及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113395464B
CN113395464B CN202110235685.8A CN202110235685A CN113395464B CN 113395464 B CN113395464 B CN 113395464B CN 202110235685 A CN202110235685 A CN 202110235685A CN 113395464 B CN113395464 B CN 113395464B
Authority
CN
China
Prior art keywords
potential
signal line
circuit
image sensor
pixel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110235685.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113395464A (zh
Inventor
关根裕之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianma Japan Ltd
Original Assignee
Tianma Japan Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianma Japan Ltd filed Critical Tianma Japan Ltd
Publication of CN113395464A publication Critical patent/CN113395464A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113395464B publication Critical patent/CN113395464B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
    • H04N25/671—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/53—Control of the integration time
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/40—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/709—Circuitry for control of the power supply
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/766—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors comprising control or output lines used for a plurality of functions, e.g. for pixel output, driving, reset or power
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/778—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising amplifiers shared between a plurality of pixels, i.e. at least one part of the amplifier must be on the sensor array itself

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及图像传感器及其控制方法。图像传感器包括像素和控制电路以检测由信号线传输的光信号。像素包括光电检测器、被配置为放大来自光电检测器的光信号的放大电路、以及被配置为控制是否将光信号从像素输出到信号线的第一开关。控制电路包括与信号线连接的第一电容器以及通过第一电容器与信号线连接的积分器。控制电路被配置为在第一开关不导通的状态下将彼此不同的第一电位和第二电位依次供应给信号线，并且在供应第一电位并且供应第二电位时基于积分器的输出来测量由第一电容器和积分器确定的放大率。

Description

图像传感器及其控制方法
技术领域
本发明涉及图像传感器，具体地涉及改善图像传感器的噪声特性的技术。
背景技术
用于X射线荧光透视的平板检测器(FPD)已被改进而具有更高的分辨率。通过这种改进而减少的像素面积导致信号量的减少，这降低了采用无源像素传感器(PPS)方法的常规FPD中的信噪比(SNR)。解决该问题的方案之一是利用在每个像素中设置的放大电路的有源像素传感器(APS)方法。在晶体硅基板上制造的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器采用该APS方法。
然而，对于通过将薄膜晶体管(TFT)设置在大的玻璃基板上制造的FPD，放大电路也必须由TFT制成。这引起以下问题。作为放大电路的TFT根据它们在玻璃基板上的位置，阈值电压发生变化，其结果，放大电路具有偏移误差。偏移误差会导致固定模式噪声(FPN)。用信号检测电路或在图像处理中校正FPN的尝试会根据偏移误差的幅度降低信号的动态范围。
在JP H05-207220A中公开了一种减少由TFT或其他类型的晶体管中的阈值电压的变化引起的偏移误差的技术。JP H05-207220A在图1中公开了包括FPN抑制电路和像素的电路图，在图2中公开了示出它们的操作的时序图。
其中公开的FPN抑制电路包括具有高增益的反相放大器、以及反馈电容器C2，并且FPN抑制电路与垂直信号线VL连接，以经由电容器C1输出像素的电压。根据JP H05-207220A，像素用光照射之后的像素电压与像素电压被复位之后的像素电压之间的差分电压被放大-C1/C2倍，因此通过读取该差分电压从信号中消除了偏移误差。
然而，JP H05-207220A中公开的技术将被应用于在晶体硅基板上制造的图像传感器。如果将该技术应用于通过在玻璃基板上设置TFT制造的FPD，则会出现许多新的问题。其中问题之一是不能在玻璃基板上制造具有校正偏移误差的功能的信号检测电路。这是因为在玻璃基板上制造的TFT在诸如电子场效应迁移率的特性上劣于在晶体硅基板上制造的TFT。
因此，用于校正偏移误差的大多数功能必须在玻璃基板以外的例如在晶体硅基板上制造。为了在专用信号处理IC中包括用于校正偏移误差的全部功能，需要重新设计和制造信号处理IC。需要许多开发资源。其结果，制造FPD需要许多资源。
发明内容
鉴于上述问题，本发明旨在有效地提供具有高分辨率和高SNR的图像传感器。
根据本发明的一方面的图像传感器包括：像素；以及信号线，其被配置为传输像素的光信号；以及控制电路，其被配置为控制像素以检测由信号线传输的光信号。像素包括：光电检测器；放大电路，其被配置为放大来自光电检测器的光信号；以及第一开关，其被配置为控制是否将光信号从像素输出到信号线。控制电路包括：与信号线连接的第一电容器；以及积分器，其通过第一电容器与信号线连接，以检测光信号。控制电路被配置为：在第一开关不导通的状态下，将彼此不同的第一电位和第二电位依次供应给信号线；以及在供应第一电位并供应第二电位时基于积分器的输出来测量由第一电容器和积分器确定的放大率。
本发明的一方面是控制图像传感器的方法。图像传感器包括：像素；被配置为传输像素的光信号的信号线；与信号线连接的第一电容器；以及积分器，其经由第一电容器与信号线连接以检测光信号。像素包括：光电检测器；被配置为放大来自光电检测器的光信号的放大电路；以及被配置为控制是否将光信号从像素输出到信号线的第一开关。该方法包括：在第一开关不导通的状态下，将彼此不同的第一电位和第二电位依次供应给信号线；以及在供应第一电位并供应第二电位时基于积分器的输出来测量由第一电容器和积分器确定的放大率。
本发明的一方面有效地提供了具有高分辨率和高SNR的图像传感器。
应当理解，前面的概述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，并不限制本发明。
附图说明
图1是示出一实施方式中的图像传感器的结构的框图；
图2是示出该实施方式中的图像传感器中的像素的电路结构的电路图；
图3是示出该实施方式中的图像传感器中的输出电路的电路结构的电路图；
图4是示出该实施方式中的可应用于图像传感器的信号检测电路的构成要素的电路图；
图5是示出该实施方式中的图像传感器中包括的部件之间的连接的一部分的电路图；
图6是示出该实施方式中的图像传感器读取光信号的操作的时序图；
图7是示出该实施方式中的图像传感器对输出信号的放大率进行测量的操作的时序图；
图8是示出另一实施方式中的可应用于图像传感器的输出电路的电路结构的电路图；
图9是示出该另一实施方式中的图像传感器中包括的部件之间的连接的一部分的电路图；
图10是示出该另一实施方式中的图像传感器读取光信号的操作的时序图；
图11是示出该另一实施方式中的图像传感器测量输出信号的放大率的动作的时序图；
图12是示出又一实施方式中的图像传感器读取光信号的操作的时序图；
图13是示出这些实施方式中的可应用于图像传感器中的像素的电路结构的电路图；以及
图14是示出这些实施方式中的可应用于图像传感器中的像素的电路结构的电路图。
具体实施方式
在下文中，参考附图详细描述本发明的图像传感器。每个图中的要素以适合在图中识别的大小或比例变更。图中的阴影线是为了区分元件而不是表示横截面。用作开关元件或放大元件的非线性元件称为晶体管，并且该晶体管包括薄膜晶体管(TFT)。
本发明的图像传感器可应用于医学和工业非破坏性测试领域中的放射成像装置。本文公开的图像传感器包括像素，每个像素包括：放大电路；以及积分器，每个积分器经由电容器Cdet(第一电容器)与信号线连接，以检测像素的光信号。被检测的光是具有特定频率的电磁射线，该电磁射线可以是红外线、可见光或X射线。电容器Cdet用于将信号线的电位变化转换为电荷。积分器是电荷检测型的信号检测电路的元件，并且包括反馈电容器Cf。
这种结构使得能够检测用增益Cdet/Cf放大的信号线的电位的变化的绝对值，从而减小由像素中的放大电路中的晶体管(例如，TFT)之间的阈值的变化引起的偏移误差。
在示例中，可以将用于将信号线的电位的变化转换为电荷的电容器Cdet可以与像素和信号线一起制造在图像传感器的绝缘基板(玻璃基板)上。因此，可以使用针对常规的无源像素传感器(PPS)类型的平板检测器(FPD)开发的电荷检测型的信号检测电路(集成电路)。
上述结构中的增益由玻璃基板上的电容器Cdet的电容与信号检测电路中的反馈电容器Cf的电容之比来确定。本文公开的图像传感器将不同的恒定电位供应给信号线，以根据响应于那些电位在积分器中的输出基于电容比率来测量增益。由于该操作，图像传感器更准确地获取各个信号线(像素列)的光信号检测增益。图像传感器根据测得的增益校正各个积分器的输出，以使信号线中的由信号检测电路检测到的信号的增益均匀。
本文公开的图像传感器可以进一步被配置为在从像素读取光信号之后向每个信号线供应电位，该电位改变放大电路中的晶体管的控制端子(例如，栅极端子)与信号线(例如，晶体管的源极)之间的电压的极性。该操作减小了放大电路中的晶体管的特性的变化。这是因为，为了放大来自光电检测器的信号，相同极性的电压保持施加于放大电路的晶体管的控制端子和信号线两端很长时间，因此，用于放大的晶体管的特性比用作开关元件的晶体管的特性更容易改变。上述结构减小了晶体管的特性的变化。
实施方式1
图1是示出实施方式1所涉及的图像传感器的结构示例的框图。本发明的图像传感器10包括传感器基板11和控制电路。控制电路包括输出电路15、驱动电路14、信号检测电路16以及主控制电路18。
传感器基板11包括绝缘基板(例如玻璃基板)和像素区域12，在像素区域12中，像素13在绝缘基板上像矩阵一样水平和垂直地对齐。输出电路15直接制造在传感器基板11的绝缘基板上；对由图1中垂直排列的像素组成的一个像素列设置每个输出电路15。像素区域12可以包括闪烁体，该闪烁体响应于要检测的辐射线而发射荧光。
驱动电路14驱动像素13以通过像素13检测光。每个输出电路15接收由信号线传输的像素的光信号，并将其输出到信号检测电路16。信号检测电路16检测来自各个信号线的信号。主控制电路18控制驱动电路14和信号检测电路16。
本实施方式中的驱动电路14、信号检测电路16以及主控制电路18被制造为与传感器基板11分离的部件，并且它们例如被安装在硅基板上。这些电路可以被包含在不同的IC芯片中。它们中的一些或全部可以被包含在同一IC芯片中。一个电路可以被包括在多个IC芯片中。
图2是示出一个像素13的电路结构的电路图。本发明的图像传感器中的一个像素13包括三个晶体管TR1、TR2和TR3以及光电二极管PD。光电二极管PD是光电检测器的示例。在图2所示的示例中，光电二极管PD的阳极端子与晶体管TR1的栅极端子和晶体管TR3的漏极端子连接。光电二极管PD的阴极端子与电源线PA连接。晶体管TR1的漏极端子与电源线PP连接，并且晶体管TR1的源极端子与晶体管TR2的漏极端子连接。
晶体管TR2的栅极端子与控制线Gn连接，并且晶体管TR2的源极端子与信号线Dm连接。晶体管TR3的栅极端子与控制线Rn连接，并且晶体管TR3的源极端子与电源线PB连接。光电二极管PD具有将光转换成电荷的功能。晶体管TR1(放大晶体管)具有放大光电二极管PD的一端的电位的功能。晶体管TR2是像素13的第一开关，并且具有控制输出的功能。晶体管TR3具有复位光电二极管PD的电位的功能。
图3是示出输出电路15的电路结构的电路图。每个像素列设有一个输出电路15。输出电路15包括三个晶体管TR5、TR6和TR7以及用于电压-电荷转换的电容器Cdet。晶体管TR5的栅极端子与控制电位线RV连接；晶体管TR5的漏极端子与晶体管TR6的源极端子连接；并且晶体管TR5的源极端子与电源线PG连接。
晶体管TR6的栅极端子与控制线Sep连接，并且晶体管TR6的漏极端子与信号线Dm连接。晶体管TR7的栅极端子与控制线Tst连接；晶体管TR7的漏极端子与信号线Dm连接；晶体管TR7的源极端子与电源线Cal连接。晶体管TR7是用于控制信号线Dm与电源电路之间的导通的开关电路。
电容器Cdet的一个端子与信号线Dm连接，电容器Cdet的另一端子与信号检测电路16连接。在该电路结构中，晶体管TR5用作恒定电流源，该恒定电流源使用控制电位线RV的电位使得在源极与漏极之间流动的电流恒定。图3中的输出电路15具有输出端子DOm。
图4是可应用于本发明的图像传感器的信号检测电路16的一部分的电路图。该电路包括运算放大电路OPA、反馈电容器Cf以及用作积分器的复位晶体管TRst。复位晶体管TRst与控制线Rst连接。
当复位晶体管TRst导通时，反馈电容器Cf的电荷被复位。在图4中，信号检测电路16(积分器)具有输入端子IN和输出端子OUT。信号检测电路16包括各自与信号线Dm连接的多个积分器。
尽管在图中未示出驱动电路14的详细结构，但是驱动电路14具有向上述的控制线和电源线供应信号和电位的功能。驱动电路14和信号检测电路16在主控制电路18的控制下动作。
图5示出了本发明的图像传感器10中包括的部件中的连接的一部分。图5仅示出了像素区域12中的一个像素13，并且仅示出了驱动电路14中的涉及控制输出电路15的部分。驱动电路14包括具有脉冲电源的电源电路。针对实施方式1示出的本发明的图像传感器10具有信号线Dm，每条信号线Dm与垂直地排列有多个像素13的一个像素列相关联。同一像素列中的像素13全部与一个信号线Dm连接。
信号线Dm在传感器基板11的一端与一个输出电路15连接。图5中的晶体管TRB用于确定晶体管TR5的栅极电位；晶体管TRB的漏极端子和栅极端子与驱动电路14的电流源连接，并且晶体管TRB的源极端子与电源线PG连接。因此，晶体管TRB的栅极端子的电位改变，使得晶体管TRB的漏极-源极电流等于来自电流源的电流Iref。
如果晶体管TRB和晶体管TR5的电特性相等，则晶体管TRB和晶体管TR5作为电流镜电路进行工作。为了使晶体管TR5的漏极-源极电流等于电流源的电流Iref，使晶体管TRB和晶体管TR5的电特性相等即可。
为了实现该结构，例如，以相同的工艺和相同的尺寸在传感器基板11上制造晶体管TRB和晶体管TR5。毋庸多言，可以通过改变晶体管TR5和晶体管TRB的晶体管尺寸(沟道长度L或沟道宽度W)来改变电流比。在假设晶体管TR5和晶体管TRB的晶体管尺寸相等的情况下描述本实施方式。
图6是示出本发明的图像传感器10读取光信号的操作的时序图。在读取光信号时，驱动电路14将高电平电位施加于控制线Sep，并且将低电平电位施加于控制线Tst。其结果，晶体管TR6变为导通，并且晶体管TR7变为非导通。
为了从由水平排列的像素13组成的给定像素行读取信号，在时间T1，驱动电路14将高电平电位施加于控制线Gn。其结果，每个像素13的晶体管TR2变为导通。然后，根据光电二极管PD的阳极端子的电位Vpd，在晶体管TR1的源极与漏极之间流通电流。由于晶体管TR5和晶体管TRB作为电流镜电路进行工作，因此在晶体管TR5的漏极与源极之间流通的电流等于来自驱动电路14中的电流源的电流Iref并且是恒定的。
因此，信号线Dm的电位改变，使得晶体管TR1的漏极-源极电流变得等于Iref。换言之，晶体管TR1作为源极跟随器电路进行工作，该源极跟随器电路具有可视作电流源的晶体管TR5的负载。如果晶体管TR1和TR5具有良好的饱和特性(漏极-源极电流独立于漏极-源极电压而被视为恒定)，则晶体管TR1作为增益为1的放大电路进行工作。
因此，图6中的信号线Dm的电位V1表示为下式：
V1＝Vpd+α (1)，
其中，α表示偏移电压，该偏移电压取依赖于晶体管TR1的阈值电压的值。
在时间T2，驱动电路14将控制线Rst的电位改变为高电平。其结果，晶体管TRst变为导通，以将信号检测电路16中的积分器中的反馈电容器Cf的电荷重置为0。此时的积分器的输出Vout的电位V3变为运算放大电路OPA的偏移电压。因此，电容器Cdet的两个端子被供应电位V1和电位V3。
在时间T3，驱动电路14使控制线Rst的电位返回到低电平。其结果，晶体管TRst变为非导通。因此，存储在与信号检测电路16连接的电容器Cdet的端子处存储的电荷与在与电容器Cdet连接的反馈电容器Cf的端子处存储的电荷之和。
在时间T4，驱动电路14使控制线Rn的电位改变为高电平。其结果，晶体管TR3变为导通，以将光电二极管PD的阳极电位重置为电源线PB的电位。然后，信号线Dm的电位V2可以表示为如下：
V2＝VB+α (2)，
其中，VB表示电源线PB的电位。
由于信号线Dm的电位从V1变为V2，因此，表示为下式的电荷Q经由电容器Cdet传输到信号检测电路16：
Q＝(V2-V1)×Cdet (3)。
该传输的电荷被存储于反馈电容器Cf中，因此，积分器的输出V4变为如下：
V4＝-Q/Cf+V3 (4)。
此外，鉴于式(1)至(3)的关系，电位V4可以如下改写：
V4＝-Cdet/Cf×(VB–Vpd)+V3 (5)。
该式意味着与信号电平相对应的电位Vpd与已知电位VB之间的差分电压以电容器Cdet的电容与电容器Cf的电容之比放大并从积分器输出。要注意的是，通过取电位V1和V2之间的差来消除依赖于像素13的晶体管TR1的阈值电压的偏移电压α。这意味着各个像素13中的偏移电压的变化(如果有的话)不会引起积分器中的输出变化。
随后，驱动电路14在时间T5将控制线Rn的电位改变为低电平，并且在时间T6将控制线Gn的电位改变为低电平，以完成从一个像素行对光信号的读取。
如上所述，在本发明的图像传感器中，像素13的信号电压以Cdet/Cf的比率被放大。当在像素列中比率Cdet/Cf不相等时，放大比率改变。为了解决这个问题，本发明的图像传感器10的主控制电路18测量各个像素列的放大率。
图7是示出图像传感器测量各个像素列的放大率的操作的时序图。响应于来自主控制电路18的指令，驱动电路14如下所述改变信号。
在时间T1，驱动电路14将控制线Sep的电位改变为低电平，并且将控制线Tst的电位改变为高电平。其结果，晶体管TR7变为导通，并且晶体管TR6变为非导通。此时，驱动电路14将从脉冲电源供应的电源线Cal的电位Vcal设定为值Vc1(第一电位)。其结果，信号线Dm的电位也变为Vc1。
在时间T2，驱动电路14将控制线Rst的电位改变为高电平。其结果，晶体管TRst变为导通以将反馈电容器Cf的电荷重置为0。在时间T3，驱动电路14将控制线Rst的电位改变为低电平。其结果，晶体管TRst变为非导通。该状态下的积分器的输出V5是运算放大电路OPA的偏移电压。
在时间T4，驱动电路14将电源线Cal的电位Vcal改变为值Vc2(第二电位)。其结果，信号线Dm的电位从Vc1变为Vc2，因此，由下式表示的电荷Q通过电容器Cdet传输到信号检测电路16：
Q＝(Vc2–Vc1)×Cdet (6)。
该传输的电荷被存储于反馈电容器Cf中，因此，积分器的输出V6变为如下：
V6＝-Q/Cf+V5 (7)。
鉴于式(6)，式(7)可以改写如下：
V6–V5＝-Cdet/Cf×(Vc2–Vc1) (8)。
由于电位Vc1和Vc2是已知的，因此主控制电路18可以通过测量所有像素列中的V6和V5来获得各个像素列的放大率。主控制电路18根据获取的放大率计算校正系数以使所有像素列之中的放大率相等，并存储计算出的校正系数。当图像传感器10读取光信号时，主控制电路18利用这些校正系数来校正读取的信号。该操作从光信号中消除了像素列之中的Cdet与Cf之比的变化的影响。
在时间T5，驱动电路14将控制线Sep的电位改变为高电平，并且将控制线Tst的电位改变为低电平，以完成放大率的测量。
主控制电路18可以在图像传感器10开始工作时测量(校准)放大率，或在图像传感器10工作时以规定间隔测量(校准)放大率。可替代地，如果信号检测电路16的特性变化很小，则仅在图像传感器10出厂时可以执行该测量。
实施方式2
图8是示出本发明的实施方式2涉及的图像传感器中的输出电路的电路结构的电路图。输出电路15包括四个晶体管TR5、TR6、TR7和TR8以及用于电压到电荷转换的电容器Cdet。晶体管TR5的栅极端子与控制电位线RV连接；晶体管TR5的漏极端子与晶体管TR6的源极端子连接；晶体管TR5的源极端子与电源线PG连接。
晶体管TR6的栅极端子与控制线Sep连接，并且晶体管TR6的漏极端子与信号线Dm连接。晶体管TR7的栅极端子与控制线Tst1连接；晶体管TR7的漏极端子与信号线Dm连接；晶体管TR7的源极端子与电源线Cal1(第一电源线)连接。晶体管TR8的栅极端子与控制线Tst2连接；晶体管TR8的漏极端子与信号线Dm连接。晶体管TR8的源极端子与电源线Cal2(第二电源线)连接。晶体管TR7和TR8分别是用于控制信号线Dm与电源线Cal1之间以及信号线Dm与电源线Cal2之间的连接(导通)的开关电路。
电容器Cdet的一个端子与信号线Dm连接，并且电容器Cdet的另一端子与信号检测电路16连接。晶体管TR5具有恒定电流供应的功能，该恒定电流供应的功能利用控制电位线RV的电位使得在源极与漏极之间流动的电流恒定。输出电路15具有输出端子DOm。
图9示出了本发明的实施方式2中的图像传感器10中包括的部件之间的连接的一部分。图9仅示出了像素区域12中的仅一个像素13，并且仅示出了驱动电路14的涉及控制输出电路15的部分。驱动电路14包括具有两个直流电源的电源电路。与实施方式1一样，晶体管TRB和晶体管TR5作为电流镜电路进行工作。假设电流镜像中的电流比为1进行以下的描述。
图10是示出本发明的实施方式2中的图像传感器10读取光信号的操作的时序图。除了由于控制线Tst1和Tst2的电位为低电平而使晶体管TR7和TR8均不导通以外，实施方式2中的图像传感器10的操作与实施方式1中的图像传感器的操作相同。
图11是示出本发明的实施方式2中的图像传感器测量各个像素列的放大率的操作的时序图。实施方式2中的驱动电路14使电源线Cal1的电位Vc1(第一电位)和电源线Cal2的电位Vc2(第二电位)保持恒定。电位Vc1和Vc2是不同的电位，并且它们从不同的直流电源被供应。
在时间T1，驱动电路14将控制线Sep的电位改变为低电平，并且将控制线Tst1的电位改变为高电平。其结果，晶体管TR7变为导通，并且晶体管TR6变为非导通。由于此时控制线Tst2的电位为低电平，因此晶体管TR8为非导通。然后，信号线Dm的电位变为Vc1。
在时间T2，驱动电路14将控制线Rst的电位改变为高电平。
其结果，晶体管TRst变为导通以将反馈电容器Cf的电荷重置为0。在时间T3，驱动电路14将控制线Rst的电位改变为低电平。其结果，晶体管TRst变为非导通。该状态下的积分器的输出V5是运算放大电路OPA的偏移电压。
在时间T4，驱动电路14将控制线Tst1的电位改变为低电平。其结果，晶体管TR7变为非导通。在时间T5，驱动电路14将控制线Tst2的电位改变为高电平。其结果，晶体管TR8变为导通，并且信号线Dm的电位变为Vc2。由于信号线Dm的电位从Vc1变为Vc2，因此，由下式表示的电荷Q通过电容器Cdet传输到信号检测电路16：
Q＝(Vc2–Vc1)×Cdet (9)。
该传输的电荷被存储于反馈电容器Cf，因此，积分器的输出V6表示如下：
V6＝-Q/Cf+V5 (10)。
鉴于式(9)，式(10)可以改写如下：
V6–V5＝-Cdet/Cf×(Vc2–Vc1) (11)。
由于式(11)中的电位Vc1和Vc2是已知的，因此主控制电路18可以通过测量所有像素列的V6和V5来获得各个像素列的放大率。也就是说，本发明的实施方式2中的图像传感器可以测量校正放大率所需的所有像素列的放大率，而无需改变驱动电路14中的电压的电源或电路。
在实施方式1中的图像传感器中，大量信号线与电源线Cal连接，因此，在测量放大率时，电源线Cal的电容变大。为了改变具有大电容的电源线的电位，需要具有非常小的输出电阻的电源或电路。因此，可能需要大规模或昂贵的驱动电路14，或者可替代地，放大率的测量可能需要很长时间。
实施方式2中的图像传感器不需要改变电源线Cal1和Cal2的电位，因此，即使电源线Cal1和Cal2具有大的电容，也可应用简单的电源电路。另外，通过将具有比电源线Cal1和Cal2的电容大得多的电容的电容器并联连接到电源电路，可以减少测量放大率的时间。
实施方式3
当晶体管特别是TFT用于放大电路时，其特性可能会发生改变。在放大电路被配置为源极跟随器电路并且包括具有n型导电性的晶体管的示例中，晶体管的栅极保持接收比源极更高的电压。在TFT用作晶体管的情况下，当TFT的栅极在沟道中保持接收引起电荷的电压时，TFT的阈值电压发生变化。本发明的实施方式3中的图像传感器提供了减小该TFT的阈值电压的变化的驱动方法。
实施方式1中的图像传感器或实施方式2中的图像传感器可应用于实施方式3中的图像传感器。使用具有实施方式1中的配置并且包括具有n型导电性的晶体管的图像传感器来提供以下描述。
图12是示出图像传感器读取光信号的操作的时序图。在该操作的过程中，驱动电路14始终将电源线Cal的电位Vcal保持在Vc3。
在时间T1，驱动电路14将控制线Gn的电位改变为高电平，以使晶体管TR2导通。与实施方式1中的图像传感器读取光信号的操作一样，将与光电二极管PD的阳极端子的电位Vpd相对应的电位输出到信号线Dm。
在时间T2，驱动电路14将控制线Rst的电位改变为高电平，以使晶体管TRst导通并复位反馈电容器Cf的电荷。在时间T3，驱动电路14使控制线Rst的电位返回到低电平以使晶体管TRst不导通。
在时间T4，驱动电路14将控制线Rn的电位改变为高电平，以使晶体管TR3导通并复位光电二极管PD。其结果，信号线的电位从V1变为与电源线PB的电位相对应的V2。与电位变化相对应的电荷通过电容器Cdet传输到积分器，以改变积分器的输出。如已经描述的，要检测的积分器的输出的变化是由光信号引起的电位的变化，该光信号以与电容比Cdet/Cf成比例的放大率被放大。
随后，在时间T5，驱动电路14将控制线Rn的电位改变为低电平以使晶体管TR3不导通。在时间T6，驱动电路14将控制线Sep的电位改变为低电平，并且将控制线Tst的电位改变为高电平，以使晶体管TR6不导通并且使晶体管TR7导通。
此时，由于控制线Gn保持在高电平，所以电源线Cal的电位为Vc3并且晶体管TR2导通。因此，晶体管TR1的源极的电位变为Vc3(第三电位)。在一个示例中，该电位Vc3被设定为高于以饱和曝光量的光照射的光电二极管PD的阳极电极的电位的值。然后，晶体管TR1的栅极电位变得低于源极电位，其结果，栅极-源极电压的极性从晶体管TR1放大光电二极管PD的输出时的极性反转。
在时间T7，驱动电路14将控制线Gn的电位改变为低电平，以使晶体管TR2不导通。晶体管TR1的源极电位保持在电位Vc3。因此，直到下一个读取光信号的操作之前，晶体管TR1的栅极保持接收比源极低的电位，即负电位。在放大操作中施加具有与栅极-源极电压的极性相反的极性的电压的这种配置减小了晶体管TR1的阈值变化。
尽管设晶体管具有n型导电性提供了前面的描述，但是对于具有p型导电性的晶体管可获得相同的效果。然而，必须改变要施加于晶体管的电压的极性。同时，图13和图14中所示的电路配置也可应用于本发明的图像传感器的像素13。
在图13的电路配置中，光电二极管PD与图2所示的电路配置中的光电二极管相反地取向；检测光电二极管PD的阴极端子的电位。在图14中的电路配置中，晶体管TR2设置在电源线PP与晶体管TR1之间。具体地，晶体管TR2的源极与晶体管TR1的漏极连接，并且晶体管TR2的漏极与电源线PP连接。需要注意的是，图14中的电路配置难以减小用作像素13的放大电路的晶体管TR1的特性的变化。
如上所述，即使图像传感器具有更高的分辨率或更小的像素，本发明的图像传感器也保持高SNR。进一步，本发明的图像传感器减小了由用作像素中的放大电路的晶体管之中的阈值电压的变化引起的光信号之中的偏移的变化。另外，本发明的图像传感器测量对像素列分别设置的信号检测电路的放大率，以使放大率均匀。此外，本发明的图像传感器可以进行工作以减小用作像素中的放大电路的晶体管的特性的变化。
如上所述，已经描述了本发明的实施方式。然而，本发明不限于前述实施方式。在本发明的范围内，本领域的技术人员可以容易地修改、添加或变换前述实施方式中的每个要素。一个实施方式的配置的一部分可以被另一实施方式的配置替代，或者一个实施方式的配置可以被并入到另一实施方式的配置中。

Claims (9)

1.一种图像传感器，包括：
像素；
信号线，所述信号线被配置为传输所述像素的光信号；以及
控制电路，所述控制电路被配置为控制所述像素以检测由所述信号线传输的所述光信号，
其中，所述像素包括：
光电检测器；
放大电路，所述放大电路被配置为放大来自所述光电检测器的光信号；以及
第一开关，所述第一开关被配置为控制是否将所述光信号从所述像素输出到所述信号线，
其中，所述控制电路包括：
第一电容器，所述第一电容器与所述信号线连接；
积分器，所述积分器通过所述第一电容器与所述信号线连接以检测所述光信号，并且
其中，所述控制电路被配置为：
在所述第一开关不导通的状态下，将彼此不同的第一电位和第二电位依次供应给所述信号线；并且
在供应所述第一电位并且供应所述第二电位时基于所述积分器的输出来测量由所述第一电容器和所述积分器的反馈电容器确定的放大率。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述像素、所述信号线以及所述第一电容器被制造在绝缘基板上，以及
其中，所述积分器被制造在硅基板上。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，包括：
多个所述像素；
多个所述信号线；
多个所述第一电容器，所述多个第一电容器中的每个第一电容器与所述多个信号线中的一个信号线连接；以及
多个所述积分器，所述多个积分器中的每个积分器通过所述多个第一电容器中的一个第一电容器与所述多个信号线中的一个信号线连接，
其中，所述控制电路被配置为：
在所述多个像素的第一开关不导通的状态下，将所述第一电位和所述第二电位依次供应给所述多个信号线；并且
对于由第一电容器和积分器形成的每个对，在供应所述第一电位并且供应所述第二电位时基于所述积分器的输出，来测量由所述第一电容器和所述积分器的反馈电容器确定的放大率。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，所述控制电路包括：
电源电路，所述电源电路被配置为供应所述第一电位和所述第二电位；以及
开关电路，所述开关电路被配置为控制所述电源电路与所述信号线之间的导通，并且
其中，所述控制电路被配置为：
当检测所述光信号时，将所述开关电路保持在非导通状态；并且
当向所述信号线供应所述第一电位和所述第二电位时，将所述开关电路保持在导通状态。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，
其中，所述电源电路包括被配置为产生所述第一电位和所述第二电位的脉冲电源，并且
其中，所述开关电路包括第二开关，所述第二开关被配置为控制所述脉冲电源与所述信号线之间的导通。
6.根据权利要求4所述的图像传感器，还包括：
第一电源线，所述第一电源线保持在所述第一电位；以及
第二电源线，所述第二电源线保持在所述第二电位，
其中，所述开关电路包括：
第三开关，所述第三开关被配置为控制所述第一电源线与所述信号线之间的连接；以及
第四开关，所述第四开关被配置为控制所述第二电源线与所述信号线之间的连接。
7.根据权利要求4所述的图像传感器，
其中，所述放大电路包括配置为放大来自所述光电检测器的光信号的放大晶体管，并且
其中，所述控制电路被配置为在检测到所述像素的所述光信号之后从所述电源电路经由所述开关电路和所述信号线向所述放大晶体管供应第三电位，所述第三电位在所述放大晶体管放大所述光信号时使在所述放大晶体管的控制端子和所述信号线两端施加的电压的极性反转。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，
其中，所述第一开关位于所述放大晶体管与所述信号线之间，并且
其中，所述控制电路被配置为：
当从所述电源电路经由所述开关电路和所述信号线向所述放大晶体管供应所述第三电位时，将所述第一开关保持在导通状态；并且
在供应所述第三电位之后，将所述第一开关切换为非导通状态。
9.一种控制图像传感器的方法，所述图像传感器包括：像素；信号线，所述信号线被配置为传输所述像素的光信号；第一电容器，所述第一电容器与所述信号线连接；以及积分器，所述积分器通过所述第一电容器与所述信号线连接以检测所述光信号，
所述像素包括：光电检测器；放大电路，所述放大电路被配置为放大来自所述光电检测器的光信号；以及第一开关，所述第一开关被配置为控制是否将所述光信号从所述像素输出到所述信号线，并且
所述方法包括：
在所述第一开关不导通的状态下，将彼此不同的第一电位和第二电位依次供应给信号线；以及
在供应所述第一电位并供应所述第二电位时基于所述积分器的输出来测量由所述第一电容器和所述积分器的反馈电容器确定的放大率。
CN202110235685.8A 2020-03-11 2021-03-03 图像传感器及其控制方法 Active CN113395464B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020041484A JP7405653B2 (ja) 2020-03-11 2020-03-11 イメージセンサ
JP2020-041484 2020-03-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113395464A CN113395464A (zh) 2021-09-14
CN113395464B true CN113395464B (zh) 2023-12-01

Family

ID=77617315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110235685.8A Active CN113395464B (zh) 2020-03-11 2021-03-03 图像传感器及其控制方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11233959B2 (zh)
JP (1) JP7405653B2 (zh)
CN (1) CN113395464B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210129312A (ko) 2020-04-17 2021-10-28 삼성디스플레이 주식회사 입력 감지 장치 및 이를 포함하는 표시 장치
US11430821B2 (en) * 2020-12-07 2022-08-30 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor with active clamp to suppress transfer gate feedthrough

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05207220A (ja) * 1992-01-29 1993-08-13 Olympus Optical Co Ltd 固体撮像装置及びその駆動方式
US5734366A (en) * 1993-12-09 1998-03-31 Sharp Kabushiki Kaisha Signal amplifier, signal amplifier circuit, signal line drive circuit and image display device
JP2005269471A (ja) * 2004-03-22 2005-09-29 Sony Corp 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
JP2007028192A (ja) * 2005-07-15 2007-02-01 Victor Co Of Japan Ltd 固体撮像素子のｃｄｓ回路
JP2009141612A (ja) * 2007-12-05 2009-06-25 National Univ Corp Shizuoka Univ イメージセンサ
CN103577015A (zh) * 2012-08-01 2014-02-12 阿尔卑斯电气株式会社 静电电容检测电路以及输入设备
CN103875238A (zh) * 2011-10-20 2014-06-18 索尼公司 固态图像传感器和相机系统
CN109906605A (zh) * 2016-10-13 2019-06-18 索尼半导体解决方案公司 摄像装置和电子设备

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3651660B2 (ja) 1999-09-27 2005-05-25 カシオ計算機株式会社 フォトセンサシステム及びその駆動制御方法
JP3844699B2 (ja) * 2001-02-19 2006-11-15 イノテック株式会社 可変利得アンプ
JP4850730B2 (ja) 2006-03-16 2012-01-11 キヤノン株式会社 撮像装置、その処理方法及びプログラム
JP2009141401A (ja) 2007-12-03 2009-06-25 Fujifilm Corp 固体撮像装置
JP5151507B2 (ja) 2008-01-29 2013-02-27 ソニー株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の信号読み出し方法および撮像装置
JP5431771B2 (ja) 2009-04-07 2014-03-05 浜松ホトニクス株式会社 固体撮像装置
JP5693146B2 (ja) * 2010-10-29 2015-04-01 キヤノン株式会社 固体撮像装置及び固体撮像装置の駆動方法
KR20130015915A (ko) * 2011-08-05 2013-02-14 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센서
JP2015139081A (ja) * 2014-01-22 2015-07-30 ソニー株式会社 イメージセンサ、駆動方法、及び、電子機器
JP6459271B2 (ja) 2014-07-23 2019-01-30 Ｔｉａｎｍａ Ｊａｐａｎ株式会社 イメージセンサ及びその駆動方法
JP2018037921A (ja) * 2016-09-01 2018-03-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 撮像素子

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05207220A (ja) * 1992-01-29 1993-08-13 Olympus Optical Co Ltd 固体撮像装置及びその駆動方式
US5734366A (en) * 1993-12-09 1998-03-31 Sharp Kabushiki Kaisha Signal amplifier, signal amplifier circuit, signal line drive circuit and image display device
JP2005269471A (ja) * 2004-03-22 2005-09-29 Sony Corp 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法
JP2007028192A (ja) * 2005-07-15 2007-02-01 Victor Co Of Japan Ltd 固体撮像素子のｃｄｓ回路
JP2009141612A (ja) * 2007-12-05 2009-06-25 National Univ Corp Shizuoka Univ イメージセンサ
CN103875238A (zh) * 2011-10-20 2014-06-18 索尼公司 固态图像传感器和相机系统
CN103577015A (zh) * 2012-08-01 2014-02-12 阿尔卑斯电气株式会社 静电电容检测电路以及输入设备
CN109906605A (zh) * 2016-10-13 2019-06-18 索尼半导体解决方案公司 摄像装置和电子设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN113395464A (zh) 2021-09-14
US11233959B2 (en) 2022-01-25
JP2021145200A (ja) 2021-09-24
JP7405653B2 (ja) 2023-12-26
US20210289155A1 (en) 2021-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9172951B2 (en) Test circuit for testing signal receiving unit, image pickup apparatus, method of testing signal receiving unit, and method of testing image pickup apparatus
US7662341B2 (en) Sensor arrangement and method for operating a sensor arrangement
CN105282462B (zh) 图像传感器及其驱动方法
CN113395464B (zh) 图像传感器及其控制方法
US8199236B2 (en) Device and pixel architecture for high resolution digital
US20140320685A1 (en) Imaging apparatus and imaging system
US8183513B2 (en) In-cell current subtraction for infrared detectors
CN106067951B (zh) 图像传感器
US8471189B2 (en) CMOS linear voltage/current dual-mode imager
JP2007502061A (ja) マルチモード・デジタル・イメージング装置およびシステム
US10180501B2 (en) Radiation detector
US10348995B2 (en) Image sensor and imaging apparatus
US20100289932A1 (en) Solid-state imaging device
US20120080606A1 (en) Processing circuit for an x-ray sensor
US20220307898A1 (en) Light Intensity Detection Circuit, Light Intensity Detection Method and Light Intensity Detection Apparatus
US9184192B2 (en) Radiation detector and method having a source follower arrangement formed by a source follower input transistor and a bias current portion via a bias line select transistor
JP2016134776A (ja) 欠陥検査装置、放射線検出器、および欠陥検査方法
JP2000324401A (ja) 画像センサおよびそのデータ処理方法
CN110672202A (zh) 平板探测器像素电路、平板探测系统及平板探测方法
CN110418090B (zh) 放射线图像拍摄装置
JP7319809B2 (ja) 放射線撮像装置、その制御方法及び放射線撮像システム
JP6821457B2 (ja) 放射線検出器
EP2416555A1 (en) Solid-state image pickup device
JP2005269441A (ja) 電荷検出回路およびそれを備えた画像センサ
Lee et al. A modified a 3-Tr CMIS X-ray image Sensor for Low Distortion in Source Follower

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant