CN113473049A - 一种像素单元、图像传感器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种像素单元、图像传感器及其控制方法，像素单元包括二极管、感光器件以及第一电容；所述二极管的一端分别与所述感光器件和第一电容连接；所述第一电容与所述感光器件并联；利用二极管的单向导电特性代替传统MOS管的开关功能，简化了像素单元的电路结构，配合外围控制电路大大简化了图像传感器本身的电路结构，降低了图像传感器本身的对制造工艺要求、简化了制作工序降低了成本，且因为不需要做MOS管，所以可以在多种基材上实现，进一步降低了图像传感器的成本，从而降低了大面积图像传感器阵列的生产成本，使大面积图像传感器应用及推广成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，尤其涉及一种像素单元、图像传感器及其控制方法。
背景技术
光学图像传感器，主要应用场景有以下几个：RGB摄像头、红外摄像头、指纹模块、扫描仪等。目前主要是用CMOS及CCD工艺制作而成，是一种高精度图像传感器。这些图像传感器内部电路主要结构由感光元件、复位开关、曝光控制开关、信号放大、行读出开关等电路构成，通常根据单个像素所需要MOS管个数来划分为：1T、2T、3T、4T等(几T就指在单个像素边上放了几个MOS管)，这些MOS管的线路被用作电子开关及放大器,用来解决不同像素之间的复位、串扰隔离、信号放大以及信号读出等问题。
例如4T架构的电路工作原理是：T1是一个复位晶体管，用于复位感光元件上的电荷；T2是一个曝光时间控制管，用于精确控制图像的曝光时间；T3是一个源极跟随器，用于放大感光元件上的微弱电信号；T4是一个行选开关，该开关打开后，当前传感器上的信号才会输出给到后面的ADC，ADC再进行信号采样。
这种多开关组成的图像传感器，虽然采集精度高，但由于在单个像素单元上采用多个MOS管作为开关、放大和选通等，且每个像素需要多根控制线(通常每个MOS管都需要一个控制信号)，电路复杂度高，制造工艺复杂，成本较高，不适合用来做大面积但精度要求相对较低且速度要求不高的低成本图像传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种像素单元、图像传感器及其控制方法，能够简化图像传感器的电路结构，降低图像传感器的成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种像素单元，包括二极管、感光器件以及第一电容；
所述二极管的一端分别与所述感光器件和第一电容连接；
所述第一电容与所述感光器件并联；
在所述感光器件复位期间所述二极管对所述第一电容充电以供所述感光器件工作期间使用；
在所述感光器件工作期间所述二极管不导通，在传递感光器件的电信号时所述二极管导通。
进一步的，所述二极管与所述感光器件相连接的端同极性。
进一步的，所述感光器件为光电传感器。
进一步的，所述二极管的正极与所述感光器件的正极连接。
进一步的，所述电容为平板电容或所述感光器件的寄生电容。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种图像传感器，包括像素阵列、控制器、电源、模数转换器、第二电容复位开关和第二电容；
所述像素阵列包括一个或多个并联的如上述的像素单元；
所述电源的一端与所述像素阵列的输入端连接；
所述像素阵列的输出端与所述控制器的输入端连接；
所述控制器包括第一输出端、第二输出端和第三输出端；
所述第一输出端与所述模数转换器连接；
所述第三输出端与所述电源的另一端连接；
所述第二电容连接在所述第一输出端与所述第三输出端之间；
第二输出端悬空；
所述第二电容复位开关包含动端和静端；
所述第二电容两端分别与所述第二电容复位开关的动端和静端相连；
在所述控制器的控制下，在图像传感器复位期间，所述控制器的输入端与所述第三输出端连通；
在图像传感器复位期间，所述第二电容复位开关的动端和静端相连，对第二电容放电；在图像曝光期间，所述控制器的输入端与所述第二输出端连通；
在信号读出期间，所述控制器的输入端与所述第一输出端连通；
在图像曝光期间和信号读出期间，所述第二电容复位开关的动端和静端断开连接。
进一步的，所述控制器包括数据选择器和单刀三掷开关；
所述像素阵列的输出端与所述数据选择器的输入端连接；
所述数据选择器的输出端与所述单刀三掷开关的动端连接；
所述单刀三掷开关包括第一不动端、第二不动端和第三不动端；
所述第一不动端与所述第一输出端连接；
所述第二不动端与所述第二输出端连接；
所述第三不动端与所述第三输出端连接。
进一步的，所述像素阵列设置在基板上；
所述控制器、电源、模数转换器、第二电容复位开关和第二电容均封装在所述基板上；
所述像素阵列包括X轴电极组和Y轴电极组；
每一个像素单元的两个引出脚分别连接所述X轴电极组和Y轴电极组；
所述X轴电极组和Y轴电极组分别连接到所述电源的一端和所述控制器的输入端。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：
一种如上述的图像传感器的控制方法，包括步骤：
通过控制器控制其输入端与所述第三输出端连通开始复位；
同时控制第二电容复位开关的动端与静端相连，对第二电容进行放电；
被选通的像素单元通过二极管对第一电容进行充电，待第一电容充满及第二电容放电至0V后，复位结束；
控制第二电容复位开关的动端和静端断开连接；
通过控制器控制其输入端与所述第二输入端连通开始图像曝光；
感光器件受光照后产生电流，对第一电容进行放电，待所述第一电容放电到一预设值时，图像曝光结束；
通过控制器控制其输入端与所述第一输入连通，使电源、第一电容和第二电容形成通路，将第一电容的特性电压转移至第二电容上；
控制模数转换器读取第二电容上的电压值完成信号采集。
本发明的有益效果在于：利用二极管的单向导电特性代替传统MOS管的开关功能，简化了像素单元的电路结构，配合外围控制电路大大简化了图像传感器本身的电路结构，降低了图像传感器本身的对制造工艺要求、简化了制作工序降低了成本，且因为不需要做MOS管，所以可以在多种基材上实现，进一步降低了图像传感器的成本，从而降低了大面积图像传感器阵列的生产成本，使大面积图像传感器应用及推广成为可能。
附图说明
图1为本发明实施例的像素单元的电路结构图；
图2为本发明实施例的包含单个像素单元的图像传感器的电路结构图；
图3为本发明实施例的包含多个像素单元的图像传感器的电路结构图；
图4为本发明实施例的封装后的图像传感器的电路结构图；
图5为本发明实施例的单像素单元的控制流程图；
标号说明：
100、像素单元；101、二极管；102、感光器件；103、第一电容；
200、控制器；204、动端；205、第一不动端；206、第二不动端；207、第三不动端；
201、电源；
203、模数转换器；
202、第二电容；
208、第二电容复位开关；
300、基板；301、X轴电极组；302、Y轴电极组；303、排线。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
上述像素单元、图像传感器及其控制方法可以应用任何需要采集图像的应用场景，比如：RGB摄像头、红外摄像头、指纹模块、扫描仪、考勤设备等等，以下结合具体实施来进行说明。
请参照图1，一种像素单元100，包括二极管101、感光器件102以及第一电容103；
所述二极管101的一端分别与所述感光器件102和第一电容103连接；
所述第一电容103与所述感光器件102并联；
在所述感光器件102复位期间所述二极管101对所述第一电容103充电以供所述感光器件102工作期间使用；
在所述感光器件102工作期间所述二极管101不导通，在传递感光器件102及第一电容103的电信号时所述二极管101导通；
其中，所述二极管101与所述感光器件102相连接的端同极性；
所述感光器件102为光电传感器，用于把图像光信号转为电信号；
在另一个可选的实施方式中，所述二极管101的正极与所述感光器件102的正极连接；
所述第一电容103可以为用两片金属板制作的平板电容或所述感光器件102的寄生电容。
上述像素单元100可以作为图像传感器的组成部件，实现图像采集，在一个可选的实施例中，如图2、图3所示，一种图像传感器，包括像素阵列、控制器、电源201、模数转换器ADC 203和第二电容202；
所述像素阵列包括一个或多个并联的如上所述的像素单元100；
所述电源201的一端与所述像素阵列的输入端连接；
所述像素阵列的输出端与所述控制器的输入端连接；
所述控制器包括第一输出端、第二输出端和第三输出端；
所述第一输出端与所述模数转换器203连接；
所述第三输出端与所述电源201的另一端连接；
所述第二电容202连接在所述第一输出端与所述第三输出端之间；
第二输出端悬空；
所述第二电容复位开关208包含动端和静端；
所述第二电容202两端分别与所述第二电容复位开关208的动端和静端相连；
在所述控制器的控制下，在图像传感器复位期间，所述控制器的输入端与所述第三输出端连通；
在图像传感器复位期间，所述第二电容复位开关208的动端和静端连接，对所述第二电容202放电，使得所述第二电容202放电至0V；
在图像曝光期间，所述控制器的输入端与所述第二输出端连通；
在信号读出期间，所述控制器的输入端与所述第一输出端连通；
在图像曝光期间和信号读出期间，所述第二电容复位开关208的动端和静端断开连接；
图2所示为包含单个像素单元100的图像传感器的电路结构图，图3所示为包含多个像素单元100的图像传感器的电路结构图；
本实施例中将整个电路拆成像素单元Pixel部分和控制Control部分，由控制器、电源201、模数转换器203、第二电容复位开关208和第二电容202组成控制Control部分，其中，控制Control部分是为了配合像素单元Pixel电路结构而开发的独立的控制芯片，由于像素单元部分没有实体的MOS管作为开关，因此需要由控制器进行控制以实现对图像传感器的复位、曝光以及读出等操作；其中，对图像传感器的复位、曝光以及读出等操作的控制可以通过软件方式实现，也可以通过硬件方式实现；
在一个可选的实施方式中，所述控制器包括数据选择器MUX和单刀三掷开关；
所述像素阵列的输出端与所述数据选择器的输入端连接；
所述数据选择器的输出端与所述单刀三掷开关的动端204连接；
所述单刀三掷开关包括第一不动端205、第二不动端206和第三不动端207；
所述第一不动端205与所述第一输出端连接；
所述第二不动端206与所述第二输出端连接；
所述第三不动端207与所述第三输出端连接；
图2、3中各个器件的作用如下：
电源201在传感器102复位期间用于给传感器提供复位电压；二极管101是本技术的核心器件，在复位期间因为受电源201提供的正向电压而导通给第一电容103充电，在图像曝光期间因为开关204断开没有回路起到了隔离其它信号的作用，在信号读出期间配合电源201和第一电容103又能起到信号的传递作用；感光器件102是光电传感器，用于把图像光信号转为电信号；电容103可以是感光器件102的寄生电容也可以是用两片金属板制作的平板电容，用于储存感光后的电信号；模拟开关(204、205、206、207)用于控制整个图像传感器工作在复位、曝光、读取等操作；
其中，为了提高集成度，可以把密集的开关阵列用更高制程来实现(如180nm、55nm等COMS芯片制造工艺)集成在一颗独立的芯片上，该独立芯片再集成控制部分的其他器件：电源201、模数转换器ADC 203、第二电容202、第二电容复位开关208、数据选择器，然后再与像素阵列封装在一起，形成一套完整的系统，以用于各种图像采集应用场景；
在一个可选的实施方式中，如图4所示，所述像素阵列设置在基板300上，所述基板300可以用玻璃或塑料薄膜等材质制作而成；
所述控制器200、电源201、模数转换器ADC 203、第二电容复位开关208和第二电容202均封装在所述基板300上；
所述像素阵列包括X轴电极组301和Y轴电极组302；
每一个像素单元100的两个引出脚分别连接所述X轴电极组301和Y轴电极组302；
所述X轴电极组301和Y轴电极组302分别连接到所述电源201的一端和所述控制器的输入端；
封装了上述各个器件的芯片整个作为一个系统再通过排线与手机或其他电子设备的CPU相连；
在另一个可选的实施方式中，如图5所示，对上述的图像传感器的控制流程包括步骤：
通过控制器控制其输入端与所述第三输出端连通开始复位，此时开关204打到207位置，电源201输出固定电压；
同时控制第二电容复位开关208的动端和静端相连，对第二电容进行放电；
被选通的像素单元100通过二极管101对第一电容103进行充电；
待第一电容103充满后及第二电容放电至0V后，复位结束；
控制第二电容复位开关208的静端和动端断开连接；
通过控制器控制其输入端与所述第二输入端连通开始图像曝光，此时开关204打到206位置；
感光器件受光照后产生电流，对第一电容103进行放电，待经过预设曝光时间，使所述第一电容放电到一预设值时，图像曝光结束，此时，第一电容103上剩余的电压即为该像素的亮度特性电压；
通过控制器控制其输入端与所述第一输出端连通，此时开关204打到205位置，使电源201、第一电容103、第二电容202形成通路，电源201经第一电容103分压后给第二电容202充电，将第一电容103的特性电压转移至第二电容202上，第二电容202将得到和第一电容103对应的特征信号；
控制模数转换器ADC 203读取第二电容202上的电压值完成信号采集。
综上所述，本发明提供的一种像素单元、图像传感器及其控制方法，将图像传感器分为像素组件和控制组件，可分开制造，使整个图像传感器模组不必都使用昂贵的CMOS工艺来生产，能更好控制成本做大图像传感器的有效面积；像素组件利用二极管做开关电容或光电传感器的寄生电容做存储，利用二极管的单向导电特性，代替了传统MOS管的开关功能，简化了像素单元的电路结构，从而简化了制造工艺，降低大面积图像传感器阵列的生产成本，使大面积图像传感器的应用及推广成为可能，根据所设计的简化的像素单元的电路结构设计出适配的控制组件部分及对应的控制方法，通过控制器组件做一些开关控制图像传感器进行复位、曝光及信号读取等操作，而控制组件部分的控制电路又可以采用集成度更高的CMOS工艺单独制造，可以采用更高的工艺制造进一步减少面积以降低成本。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种像素单元，其特征在于，包括二极管、感光器件以及第一电容；
所述二极管的一端分别与所述感光器件和第一电容连接；
所述第一电容与所述感光器件并联；
在所述感光器件复位期间所述二极管对所述第一电容充电以供所述感光器件工作期间使用；
在所述感光器件工作期间所述二极管不导通，在传递感光器件的电信号时所述二极管导通。
2.根据权利要求1所述的一种像素单元，其特征在于，所述二极管与所述感光器件相连接的端同极性。
3.根据权利要求1所述的一种像素单元，其特征在于，所述感光器件为光电传感器。
4.根据权利要求2或3所述的一种像素单元，其特征在于，所述二极管的正极与所述感光器件的正极连接。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种像素单元，其特征在于，所述第一电容为平板电容或所述感光器件的寄生电容。
6.一种图像传感器，其特征在于，包括像素阵列、控制器、电源、模数转换器、第二电容复位开关和第二电容；
所述像素阵列包括一个或多个并联的如权利要求1至5中任一项所述的像素单元；
所述电源的一端与所述像素阵列的输入端连接；
所述像素阵列的输出端与所述控制器的输入端连接；
所述控制器包括第一输出端、第二输出端和第三输出端；
所述第一输出端与所述模数转换器连接；
所述第三输出端与所述电源的另一端连接；
所述第二电容连接在所述第一输出端与所述第三输出端之间；
第二输出端悬空；
所述第二电容复位开关包含动端和静端；
所述第二电容两端分别与所述第二电容复位开关的动端和静端连接；
在所述控制器的控制下，在图像传感器复位期间，所述控制器的输入端与所述第三输出端连通；
在图像复位期间，所述第二电容复位开关的动端和静端连接，对第二电容放电；
在图像曝光期间，所述控制器的输入端与所述第二输出端连通；
在信号读出期间，所述控制器的输入端与所述第一输出端连通；
在图像曝光期间和信号读出期间，所述第二电容复位开关的动端和静端断开连接。
7.根据权利要求6所述的一种图像传感器，其特征在于，所述控制器包括数据选择器和单刀三掷开关；
所述像素阵列的输出端与所述数据选择器的输入端连接；
所述数据选择器的输出端与所述单刀三掷开关的动端连接；
所述单刀三掷开关包括第一不动端、第二不动端和第三不动端；
所述第一不动端与所述第一输出端连接；
所述第二不动端与所述第二输出端连接；
所述第三不动端与所述第三输出端连接。
8.根据权利要求6或7所述的一种图像传感器，其特征在于，所述像素阵列设置在基板上；
所述控制器、电源、模数转换器、第二电容复位开关和第二电容均封装在所述基板上；
所述像素阵列包括X轴电极组和Y轴电极组；
每一个像素单元的两个引出脚分别连接所述X轴电极组和Y轴电极组；
所述X轴电极组和Y轴电极组分别连接到所述电源的一端和所述控制器的输入端。
9.一种如权利要求6至8中任一项所述的图像传感器的控制方法，其特征在于，包括步骤：
通过控制器控制其输入端与所述第三输出端连通开始复位；
同时控制第二电容复位开关的动端与静端相连，对第二电容进行放电；
被选通的像素单元通过二极管对第一电容进行充电，待第一电容充满及第二电容放电至0V后，复位结束；
控制第二电容复位开关的动端和静端断开连接；
通过控制器控制其输入端与所述第二输入端连通开始图像曝光；
感光器件受光照后产生电流，对第一电容进行放电，待所述第一电容放电到一预设值时，图像曝光结束；
通过控制器控制其输入端与所述第一输出端连通，使电源、第一电容和第二电容形成通路，将第一电容的特性电压转移至第二电容上；控制模数转换器读取第二电容上的电压值完成信号采集。
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- 2020-03-31 CN CN202010243524.9A patent/CN113473049A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 350000 building 18, 89 software Avenue, Gulou District, Fuzhou City, Fujian Province Applicant after: Ruixin Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 350000 building 18, 89 software Avenue, Gulou District, Fuzhou City, Fujian Province Applicant before: FUZHOU ROCKCHIP ELECTRONICS Co.,Ltd. |