CN2299425Y - 高性能接触型图象传感器 - Google Patents
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Abstract
提供一种改形的光电器件组件和运作方法的接触型图像传感器。当光电器件被激发时,光电器件组件立刻将由所接收到的光产生的视频信号从电荷转换为电压,并将此电压保持在光电器件组件的另一单元,以便在移位寄存器输出开关导通时立刻输出该电压。并提供一暗电流消除电路,它包括一产生暗电流基准信号,代表光电器件组件的光电器件中可能产生的暗电流的光屏蔽光电器件。此暗电流基准信号被用以调节因光电器件的光激发所产生的电荷。
Description
本实用新型涉及一种接触型图象传感器，特别涉及带有光敏元件或光电器件组件的接触型图传感器，当具体的光电器件组件导通时，立刻将由光电器件所产生的电荷转变为可输出的电压，并包括一抑制暗电流的电路，以改善由图象传感器所再现的图象信号的质量。
接触型图象传感器(缩写为CIS)是一种检测表示文本，图象和数据的光信号的器件，并将它们转换为可读的电信号。CIS通常与光学器件，诸如扫描器、传真机及复印机联合使用。
图1是CIS组件20的剖面图。组件20包括一常规的铝壳22，罩住一棒状透镜阵列24。一PCB板26固定在铝壳22的底部，并在其上设有一排接触型图象传感器28。光源30，诸如冷阴极萤光灯或LED阵列，位于组件20之内，并与铝壳22和玻璃32相隔开。光源30发出的光束投射到玻璃32上，把由文件34所产生的图象反射到棒状透镜阵列24，以便由一排接触型图象传感器28输出。然后，CIS以电信号的形式送出检测到的光信号。
以A4 CIS组件，200点/英寸为例加以说明，200点(或象素)/英寸大约等于80点/厘米。A4规格纸张的宽度大约是21.6厘米，所以一CIS组件将需要80点/厘米×21.6厘米或1728象素，以便检测A4规格纸张上的一线图象，以满足200点/英寸分辨率的要求。此外，CIS组件通常被分为具有相同结构相同功能的多个芯片。例如，图2表明的CIS组件，具有多个L芯片，全部芯片提供总数为1728光敏单元，每一单元代表一个象素。在图2中，CLOCK是外部工作时钟信号，SSI是外部启始信号，用来导通所指定的CIS组件，而EOP是一芯片的终止信号，同时用作下一个芯片的启始信号SI。对具有不同分辨率的CIS和纸张规格要求的应用，则采用与上述相同的原则来计算。
图3表明一常规CIS芯片的各构成部分。CIS芯片具有一光敏元件或光电器件阵列，诸如光敏晶体管或光电二极管36。每个光电器件36检测由图象反射的光信号，并积累与所接收到的光强相应的电荷。该CIS芯片还具有一移位寄存器输出开关阵列38，让每个光电器件36控制所积累的电荷是否从具体的光电器件输出。时钟缓冲器40接受外部CLOCK信号，并向该芯片提供必须的时钟(CLK)和复位(RST)信号。启动信号缓冲器42接受外部启动信号SI，或来自前一芯片的终止信号EOP，并将此信号提供给该芯片作为它的启始信号(SI)，移位寄存器阵列44接受启始信号SI和时钟CLK，次控制开关38的接通与关断，依次输出在与象素的相对位置一致的相对应的光电器件36中所积累的电荷。终止信号缓冲器46接受移位寄存器阵列44的最后一个移位寄存器的输出，并传送终止信号EOP，用来终止片选择信号CS，并传送至下一个芯片作为启始信号SI。芯片选择控制器48基于时钟信号CLK、启始信号SI和终止信号EOP产生启始信号SI，以确定此芯片是否应激励。输出控制器50接收来自光电器件36的电荷作为视频信号，并根据芯片选择信号CS输出这些信号。复位信号RST用来使视频信号复位到零，以便为接收下一个视频信号作好准备。
现在参照图4的时序图描述CIS组件的运作。当启始信号SI(1)传至第1芯片时，芯片选择信号CS(1)变为高电平，并激励第一芯片。然后将在第1芯片的光电器件36内部所积累的电荷(视频信号)依次作为视频信号OS(1)输出。在第1芯片中的光电器件36的所有视频信号全部输出之后，终止信号EOP(1)使芯片选择信号CS(1)关断，而关断第1芯片。EOP(1)作为启始信号SI(2)传至第2芯片，引发视频信号OS(2)输出。如此重复遍及全部芯片。当最后一个芯片L的视频信号OS(L)输出之后，一个新的启始信号将传至第1芯片，开始一个新的视频输出周期。
图5表明光电器件36如何处理接收到的光信号。每个光电器件36，标以光电器件RM，被光信号激发，产生电荷，并将这些电荷积累在P-N结的电容CBC内。在对应的移位寄存器信号导通该光电器件的移位寄存器输出开关GM之后，积累在电容CBC内的电荷以电流IV的形式传送并输出至视频线。通过芯片选择信号CS的控制，该电流使位于PCB电路的电容器CL充电，在端子54产生相应的电压V(OS)。此电压信号经运算放大器52放大，并作为VR输出。
再参照图6的时序图，当移位寄存器阵列60接收启始信号SIOUT时，第1移位寄存器输出一个信号，使第1光电器件36或R1的开关G1导通，因而引发积累在光电器件内的电荷输出至视频线。然后复位信号RST接通开关SWQ1，使视频线上的信号复位。然后，第2移位寄存器接通第2光电器件的开关G2，因而引发积累在光电器件内的电荷输出至视频线。这一过程在遍及芯片的全部光电器件重复进行。此时，芯片选择信号CS关断开关SWQ2，终止此芯片的信号传送的一个读取周期，并启始下一个芯片的读取周期。
在常规的CIS中，光电器件检测到光，产生电子空穴对，并将它们以电葆形式积累起来。仅当相应的移位寄存器导通相应的开关GS时所积累的电荷才输出，将所积累的电荷输出至电容CL，然后再以电压形式输出。然而，光电器件的读取时间(即光电器件将它所寄存的电荷经过开关GS传至视频线的时间)很短。假定工作频率为500KHz，例如，读取时间大约为2微秒。然而，对象光敏晶体管这样的光电器件，如果积累的电荷太多，或工作频率加快，则全部积累的电荷(Q)便不能在如此短的读取时间内输出。在此情况下，某些电荷将残留在光电器件内，并与下一次光激励所产生的电荷相加。所以电荷的输出将小于实际应该输出的值，这将有一个与本象素的下一个输出相关的误差。有时把它称作“图象滞后”。
暗电流是常规CIS光电器件所碰到的另一个问题。由于光电器件RM的P-N结的漏电流，每个光电器件RM即使不被光照，也将输一定量的电流。这种电流被称人暗电流。暗电流影响CIS输出的动态范围，并导致信号不精确。电流CIS设计旨在补偿暗电流的存在，但不是直接消除或减小暗电流的根源。
所以，需要一种信号灵敏度和工作频率都得以改善的接触型图象传感器，能使图像滞后减至最小，能使暗电流的作用减至最小，并能产生精确相应于反射图象的视频信号。
通过提供一种具有改型的光电器件组件的接触型图象传感器及其运作方法可以达到本实用新型之目的。依照本实用新型的光电器件组件，当光电器件被激励时立刻将由检测到的光所产生的视频信号从电荷转变为电压，并在该光电器件的另一单元保持该电，以便当移位寄存器输出开关导通时，立刻输出该电压。
依照本实用新型的接触型图象传感器包括多个光电器件组件，一视频线和一移位寄存器阵列，该移位寄存器阵列产生一移位寄存器输出信号，依次导通光电器件组件以允许视频信号由此向视频线的传送。每个光电器件组件包括一光电器件，可以是光敏晶体管或是光电二极管，一电压端子和一移位寄存器输出开关。具有某一强度的光投射到每个光电器件组件的光电器件上，产生表示被光电器件接收的光强的电荷。电荷被转变为电压，保持在电压端子上。产生移位寄器输出信号，依次导通光电器件组件，使保持在每个光电器件组件的电压端子上的电压立刻传送至视频线，因而避免了与常规CIS光电器件的读取时间有关的问题。在代表视频信号的电压传送之后，通过使与电压端子耦连的复位开关导通，让电压端子复位。
在依照本实用新型的一些实施方案中，给电压端子偏置一偏置电压。此外，一DC偏置基准电路产生一对应于偏置电压的基准电压。
在依照本实用新型的第1实施方案中，光电器件组件还包括一与光电器件和电压端子耦连的电流镜象电路、一提供偏置电压的电压源以及其第1端与电压源耦连其第二端形成电压端子的电容器，这样在电压端子上的电压电平可对应于因电荷被电流镜象电路抽取而减小了的偏置电电压(被电流镜象电路抽取的电流对应于由光电器件所产生的电流)。设置输出电路，接收基准电压和视频信号，并产生从基准电压减去视频信号所获得的输出信号。
在依照本实用新型的第二实施方案中，光电器件组件还包括一与电压端子和复位开关耦连的电容器以及一提供偏置电压的电源，这样在电压端子上的电压电平可对应于偏置电压与电容器两端所感生的电压之和。设置输出电路，接收基准电压和视频信号，并产生从视频信号减去基准电压所获得的输出信号。
依照本实用新型的接触型图像传感器还设置一具有光屏蔽的光电器件的暗电流消除电路，产生一暗电流基准信号，代表光电器件组件的光电器件所碰到的可能产生的暗电流。
电流镜象电路与光屏蔽光电器件及光电器件组件的光电器件耦连，以便从由这些光电器件所产生的电荷去掉对应于暗电流基准信号的电流。
于是，依照本实用新型的接触型图象传感器提供光电器件组件，能将光激励所产生的电荷立刻转变为电压并把该电压保持在光电器件组件内的电容器的一端子上。结果，当移位寄存器输出信号导通移位寄存器输出开关时，保持在端子上的视频信号会立刻以电压形式输出到视频线上。这就避开了在读取时间过程中转换电荷所需时间而引起的问题。此外，具有光屏蔽光电器件的暗电流消除电路产生一用来调节由光电器件所产生的电荷的暗电流基准信号。结果，本实用新型的光电器件组件提供了改善的频率响应及更精确的输出视频信号，同时使图象滞后和暗电的影响减至最小。
图1是常规接触型图象传感器组件的剖面图；
图2是图1的常规接触型图象传感器组件的接触型图象传感器和PCB板的电路方框图；
图3是图2的常规接触型图象传感器组件一芯片的电路方框图；
图4是表明图1-3的常规接触型图象传感器组件运作的时序图；
图5是表明图3的电路方框图一部分的局部电路方框图；
图6是表明图5的常规接触型图象传感器的运作的时序图；
图7是依照本实用新型的光电器件组件第1实施方案的电路图；
图8是包括多个图7的光电器件组件的接触型图象传感器芯片的电路方框图；
图9是表明使用图8的芯片的接触型图象传感器运作的时序图；
图10是依照本实用新型的光电器件组件第2实施方案的电路方框图；
图11是包括多个图10的光电器件组件的接触型图象传感器芯片的电路方框图；
图12是表明使用图11的芯片的接触型图象传感器运作的时序图；
图13是依照本实用新型的光电器件组件第3实施方案的电路方框图；
图14是表明图13暗电流消除电路如何与多个图13的光电器件组件连接的电路方框图；
图15是包括多个图13的光电器件组件的接触型图象传感器芯片的电路方框图；以及
图16是表明使用图15的芯片的接触型图象传感器运作的时序图。
下面的详细说明是实现本实用新型的最理想方式。此处的说明绝无限制的意思，而仅仅是以解释本实用新型实施方案的一般原理为目的。本实用新型的范畴由所附权利要求书作最佳限定。
本实用新型改变了光电器件的常规设计，产使用了不同的信号传送方法，克服了上述问题。依照本实用新型，一旦光电器件被激发时，所述光电器件组件将由所检测的光产生的视频信号从电荷形式转变成电压形式。并把该电压保持在该光电器件组件的另一单元，以便当移位寄存器输出开关导通时立刻输出该电压。这就克服了在读取时间内与传送电荷有关的问题，因而改善了视频信号的质量和工作频率，并使图象滞后减至最小。此外，也设置一暗电流消除电路，以产生一暗电流基准信号，用来调节由光电器件输出的电荷。
依照本实用新型的光电器件组件PM的第一实施方案示于图7。点线框中所示的光电器件102是个光电二极管。光电二极管102包括一由P-N结及其结电容CP表示的检测元件。由光激发所产生的电荷被保持在结电容CP上，引起在端子IN1上的相关电压的变化。然后将该电压变化经预放104放大并保持在端子OUT1上。当移位寄存器输出信号G1导通光电器件开关SW1时，立刻将保持在OUT1的视频信号以电压的形式输出。在当信号G1为高电平的时间内，输出信号GRST1导通复位开关SWR1，使端子IN1上的信号复位，为下一信号备用。在光电器件组件PM中设置预放104，提高了信号灵敏度并改善了信/噪比。
图8表明图7的光电器件组件PM如何读取或处理所接收到的光信号的电路方框图。图8的电路方框图及其运作类同于图5所示的常规CIS，只是有两处不同。第一，图8的电路方框图未在CISPCB电路内设置电容器。第二，复位开关GRST与每个光电器件组件PM相连，使在端子IN1上的信号复位，以供下一信号使用。图8的电路方框图的时序图示于图9。
图10表明依照本实用新型的光电器件组件SM第二实施方案。点线框内所示的光电器件122是个光敏晶体管。由光激发所产生的电荷采取电流ICED的形式，它是通过MOSFET器件或传送门M1 MOSFET器件连续不断地流动的电流，而传送门M1被恒定地施加“偏置1”。MOSFET器件M3、M4、M5和M6定义一个电流镜象电路132，以使流过MOSFET器件M3和M3的电流ICED放大到给电容器C1充电的电流I1。ICED的这种放大改善了结果视频信号的灵敏度。由于电容器C1的一端被VDD偏置，在电容器C1的端子A1的电压V(VIDEO)将实际上小于VDD电平。换言之，电压V(VIDEO)是从VDD计算的减少量。电容器C1的这种安排为待输出到输出级的信号提供一稳定的偏置，无需额外的偏置电路。
当移位寄存器输出信号G1导通光电器件开关M2时，立刻将保持在端子A1的视频信号以电压形式V(VIDE)输出到视频线。在当信号G1为高电平之时，输出信号GRST1导通复位开关MPG，在电容器C1两端，包括端子A1，的信号复位到VDD，供下一信号使用。
图11是表明图10的光电器件组件SM如何读取或处理所接收到的光信号的电路方框图。移位寄存器阵列124依次输出信号G1、G2、……GM、……GL，以依次导通光电器件组件S1、S2、……SM、……SL中的开关M2，因而依次把保持在这些光电器件组S1、S1……SM、……SL内的电容器C1的端子A1上的电压V(VVIDEO)输出到视频线，供输出级126作输出信号V(OS)。还将DC偏置其准128连到输出级126，以提供与信号V(OS)的复位电平相同电平的基准信号V(DOS)。
芯片选择信号CS和控制开关SWO1和SWO2控制着视频信号V(OS)和基准电平信号V(DOS)从输出级126到放大器130的传送。最终输出信号VP是V(DOS)减去V(OS)的值，它应对应于检测到的光所产生的电荷。这是在图11的电路方框图的图12的时序图中表明的。
图13表明依照本实用新型的光电器件组件DM的第3实施方案，也包括一暗电流消除电路142。在点线框中所示的光电器件140是个光敏晶体管。由光激发所产生的电荷采取电流ICED1的形式，由于被“偏置2”偏置而连续不断地流过MOSFET器件或传送门M11，在经下述的暗电流消除电路142调节之后，变为电流IC11，使电容器C11的端子A11充电。
暗电流消除电路142包括一电流镜象电路144和一光电器件146，在此情况下也是个光敏晶体管。该光电器件146被完全屏蔽，不透光，因而由它产生的暗电流IREF应接近于由光电器件140产生的预期的暗电流。将此暗电流IREF用作暗电流基准信号，来调节由另一光电器件140输出的信号。因为M71被“偏置2”恒定偏置，则该暗电流IREF连续不断地流过MOSFET器件或传送门M71。电流镜象电路144包括MOSFET器件M31、M41、M51和M61，因而流过MOSFET器件M51和M61的IREF将引起一相应的电流IM1，流过MOSFET器件M31和M41，代表需要从ICED1扣除或调节的暗电流。换言之，IC11＝1CED1-IM1。于是，电容器C11的充电电流IC11接近信号的实际值，这是由于暗电流已被去掉。
当移位寄存器输出信号G1导通光电器件开关M21时，保持在端子A11的视频信号立刻以电压V(VIDEO1)的形式输出至视频线。电压V(VIDEO1)应等于“偏置1”150加上(即加到)电容器C11因电流IC11所产生的电压V(A11)。在当信号G1为高电平的时间内，输出信号GRST1导通复位开关MPG1，使电容器C11两端，包括端子A11，的信号复位到电压V(BIAS1)，供下一信号使用。
图14表明暗电流消除电路142可与所有的光电器件组件DM相连，产生电流镜象，用于从这些光电器件组件DM的电流中去掉暗电流。
图15是表明图13的光电器件组件DM如何读取或处理所接收到的光信号。移位寄存器阵列152依次输出信号G1、G2……GM、……GL，依次导通光电器件组件D1、D2、……DM、……DL中的开关M21，因而依次将保持在这些光电器件组件D1、D2、……DM、……DL中的端子A11上的电压V(VIDEO1)输出到视频线，供输出级154作输出信号V(OS1)。将一DC偏置基准电路156，其作用与DC偏置基准电路128相同，也连到输出级154，提供一基准信号V(DOS1)，具有与信号V(OS1)的复位电平相同的电平。芯片选择信号CS和控制开关SWO11和SWO21控制着视频信号V(OS1)和基准电平信号V(DOS1)从输出级至放大器158的传送。最后的输出信号VP2是V(OS1)减去V(DOS1)的值，就是应对应于由检测到的光产生的电荷的电压。这由图15的电路方框图的图16的时序图表明。
因此，在依照本实用新型的光电器件组件的各实施方案中，由光激发所产生的电流靠光电器件连续流到光电器件组件的另一部分，然后立刻转变为电压并保持在光电器件组件内的电容器的端子上。所以，当移位寄存器输出信号G1导通移位寄存器输出开关时，保持在该端子上的视频信号立刻以电压形式输出到视频线。这就避免了由于在读取时间内传送电荷需要时间所引起的问题。此外，具有光屏蔽的光电器件的暗电流消除电路产生一暗电流基准信号IREF，用来调节由光激发所产生的电荷。其结果，本实用新型的光电器件组件提供改善的频率响应和更精确的输出视频信号，同时使图象滞后和暗电流的影响减至最小。
虽然以上的说明参照了本实用新型的具体的实施方案，但应理解，可以进行许许多多的改型，而不脱离本实用新型的精神实质。作为非限定的例子，本领域的技术人员应明了与图13的电路142相同的暗电流消除电路可分别用于图7和图10的光电器件组件。这种暗电流消除电路也能采用电流镜象电路，来达到暗电流的消除。
Claims (22)
1.一种接触型图像传感器，具有传送视频信号的视频线和各适合于当接收具有某一光强的光时将代表视频信号的电荷传送到视频线的多个光电器件组件，其特征在于，每个光电器件包括：
产生代表接收光的强度的电荷的装置；
与上述产生装置耦连用于将电荷转换为电压的装置；
与上述转换装置耦连用于保持电压的装置；
与上述保持装置耦连用于导通光电器件的装置，在电荷已转换为电压并保持在所述保持装置后，将电压作为视频信号传送到视频线的。
2.根据权利要求1的接触型图像传感器，其特征在于，每个光电器件组件还包括与上述转换装置耦连的用于放大电荷的装置。
3.根据权利要求1的接触型图像传感器，其特征在于，每个光电器件组件还包括与转换装置耦连的用于消除电荷中的暗电流装置。
4.根据权利要求1的接触型图像传感器，其特征在于，用于消除暗电流分量的装置包括一光屏蔽光电器件。
5.根据权利要求1的接触型图像传感器，其特征在于，每个光电器件组件还包括在电压已被传送后使保持装置复位的装置。
6.根据权利要求5的接触型图像传感器，其特征在于，将电荷转换为电压的装置包括一电容器。
7.根据权利要求6的接触型图像传感器，其特征在于，每个光电器件还包括在保持装置复位后给电容器施加偏置电压的装置。
8.根据权利要求7的接触型图像传感器，其特征在于，还包括用于提供与偏置电压相对应的基准电压的装置。
9.根据权利要求8的接触型图像传感器，其特征在于，还包括从传送到视频信号的电压中减去基准电压的装置。
10.根据权利要求8的接触型图像传感器，其特征在于，还包括从基准电压中减去传送到视频信号的电压的装置。
11.根据权利要求1的接触型图像传感器，其特征在于，还包括将视频信号放大的装置。
12.一种接触型图像传感器，具有传送视频信号的视频线和各适合于根据接收具有某一光强的光将代表视频信号的电荷输出到视频线的光电器件组件，其特征在于，该光电器件组件包括：
一光电器件，用于产生代表所接收到的光强的电荷；
一与光电器件耦连的电压端子，用于保持从电荷转换来的电压；以及
一电压端子耦连的开关，用于导通光电器件组件，以传送电压端子上代表视频信号的电压。
13.根据权利要求12的接触型图像传感器，其特征在于，光电器件组件还包括一与电压端子耦连的用于使此处电压复位的复位开关。
14.根据权利要求13的接触型图像传感器，其特征在于，光电器件组件还包括一与电压端子和复位开关耦连的电容器和一提供偏置电压的电源，其中的在电压端子上的电压电平对应于偏置电压与电容器两端感生电源之和。
15.根据权利要求14的接触型图像传感器，其特征在于，还包括一偏置基准电路，用于提供对应于偏置电压的基准电压。
16.根据权利要求15的接触型图像传感器，其特征在于，还包括一输出电路，用于接收视频信号和基准电压，并输出从视频信号减去基准电压的输出信号。
17.根据权利要求14的接触型图像传感器，其特征在于，还包括一用以从电荷中消除暗电流分量的暗电流消除电路，暗电流消除电路包括一光屏蔽光电器件，而接触型图像传感器还包括一于光屏蔽光电器件和光电器件组件的光电器件耦连的电流镜象电路。
18.根据权利要求12的接触型图像传感器，其特征在于，还包括与电压端子耦连的放大器，用以在传送之前放大视频信号。
19.一种接触型图像传感器，具有传送视频信号的视频线和各适合于根据接收具有某一光强的光将代表视频信号的电荷输出到视频线的光电器件组件，其特征在于，该光电器件组件包括：
一光电器件，用于产生代表所接收到的光强的电荷；
一与光电器件耦连的电流镜象电路；
一与电流镜象耦连的电压端子；
一提供偏置电压的电压源；
一其第一端与电压源耦连，其第二端形成电压端子的电容器；
一与电压端子耦连的开关，用以导通光电器件组件，以将在电压端子上的电压作为视频信号传送。
20.根据权利要求19的接触型图像传感器，其特征在于，光电器件组件还包括一与电压端子耦连的复位开关，用以在此处的电压传送后使此处的电压复位到偏置电压。
21.根据权利要求20的接触型图像传感器，其特征在于，还包括一偏置基准电路，用以提供一对应于偏置电压的基准电压
22.根据权利要求21的接触型图像传感器，其特征在于，还包括输出电路，用以接收视频信号和基准电压，并输出从基准电压中减去视频信号的输出信号。
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