TWI765441B - 影像感測器及其感測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種影像感測器。該影像感測器包括基板、單位像素、第一偏振片、第二偏振片、以及讀出電路。首先，入射光發射至影像感測器，並且第一偏振片將入射光轉換為第一入射光，第二偏振片將入射光轉換為第二入射光；接著，第一偏振片所覆蓋的單位像素的光電轉換元件接收第一入射光後產生第一電子，第二偏振片所覆蓋的單位像素的光電轉換元件接收第二入射光後產生第二電子；之後，讀出電路將第一電子以及第二電子執行相減以及積分運算後產生對應於實際訊號的電子數量的電壓訊號；最後，重複執行上述步驟。藉此，本發明之影像感測器增加等效單位像素的滿阱容量，以提升本發明之影像感測器的信噪比。

Description

影像感測器及其感測方法
本發明係有關於一種影像感測器，特別係關於一種應用於指紋感測的影像感測器及其影像感測方法。
近年來，得益於輔助駕駛、人臉識別、虛擬與擴增實境等相關技術領域市場的快速發展和帶動，互補性氧化金屬半導體 (Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像感測器市場規模正在不斷擴大，並且針對目前市場上的應用方面而言，智慧型手機仍然是應用CMOS影像感測器最大的終端應用市場。
然而，隨著人們對於智慧型手機更加輕薄的需求，以及CMOS影像感測器設計和製程技術的成熟，目前CMOS影像感測器在智慧型手機內部所能占用的元件體積日益減少，對於較小尺寸的CMOS影像感測器而言，由於習知的淺溝槽和離子注入電學隔離受制於製程技術，使得CMOS影像感測器的元件體積進行縮減後，導致CMOS影像感測器的填充因數下降，同時造成CMOS影像感測器的滿阱容量降低。有鑑於此，如何使CMOS影像感測器具有較佳的信噪比則為研發人員應解決的問題之一。
此外，當使用CMOS影像感測器應用於光學指紋辨識的環境中，指紋影像是一種由許多彎曲線條所組成的圖案，指紋影像指紋特徵的正確與否將影響整個裝置的精確度，然而CMOS影像感測器在接收指紋影像時，背景光相比於實際訊號佔據過多的滿阱容量的百分比，如此一來，將影響指紋影像中指紋特徵的判別，進而影響光學指紋辨識的精確度。
是以，本案發明人在觀察上述缺失後，而遂有本發明之產生。
本發明的目的係提供一種影像感測器，其係能藉由第一偏振片及第二偏振片分別覆蓋的光電二極體所產生的電子數量，分別藉由讀出電路運算產生第一電壓訊號及第二電壓訊號，並將第一電壓訊號以及第二電壓訊號進行相減運算，以消除背景雜訊感測電壓訊號，藉此根據本發明之影像感測器，其係可以增加等效單位像素滿阱容量，使得根據本發明之影像感測器具有較佳的信噪比。
為達上述目的，本發明提供一種影像感測器，其係包括：一基板；複數單位像素，其係設置於該基板上，該等單位像素中的每一個皆包含有一光電轉換元件，該光電轉換元件接收該入射光後產生電子；複數第一偏振片，其係設置於該等單位像素的一部分上，該等第一偏振片中的每一個皆覆蓋一部分該等單位像素中的每一個，該等第一偏振片用於使該入射光變為具有一第一偏極方向的一第一入射光，該光電轉換元件接收該第一入射光後產生複數第一電子；複數第二偏振片，其係設置於該等單位像素的另一部分上，該等第二偏振片中的每一個皆覆蓋另一部分該等單位像素中的每一個，該等第二偏振片用於使該等入射光變為具有一第二偏極方向的一第二入射光，該光電轉換元件接收該第二入射光後產生複數第二電子；以及複數讀出電路，其係耦接於該等單位像素，該讀出電路將該第一電子以及該第二電子執行相減以及積分運算後，該讀出電路產生一電壓訊號；其中，該入射光包含有一實際訊號以及一背景雜訊，該讀出電路產生的該電壓訊號對應於該實際訊號的電子數量。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其係應用於光學指紋辨識的環境中。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該光電轉換元件為鉸接光二極體(pinned photo diode,PPD)。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該等單位像素係進一步包含有：一電荷轉移元件，其係耦接於該光電轉換元件，該等電荷轉移元件將電子轉移至該讀出電路；以及一電荷重置元件，其係耦接於該電荷轉移元件，該電荷重置元件用於重置該光電轉換元件中所儲存的電子。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該等單位像素係進一步包含有一源極隨耦器(source follower)，其係耦接於該電荷轉移元件以及該電荷重置元件，該源極隨耦器(source follower)用於降低寄生電容的效應。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一偏極方向相同，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一偏極方向的夾角小於45度，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該實際訊號不遠大於該背景雜訊。較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該第一偏振片與該第二偏振片由雙折射材料與金屬光柵的其中之一製成，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該第一偏極方向及該第二偏極方向相互正交，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該第一入射光包含有一第一背景光，一第一背景雜訊對應於該第一背景光所產生的電子數量，並且一第二入射光包含有一第二背景光，該第二背景雜訊對應於該第二背景光所產生的電子數量，該第一背景雜訊與該第二背景雜訊相同或相近，並且該第一背景光與該第二背景光的偏極方向不同，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之影像感測器，其中，該讀出電路為差動積分器。
又，為達上述目的，本發明根據上述影像感測器為基礎，進一步提供一種顯示裝置，包括：一顯示面板，具有一顯示區；以及上述影像感測器，設置在該顯示面板上，其中，該影像感測器對應地與該顯示區重疊。
較佳地，根據本發明之顯示裝置，其中，該顯示面板為液晶顯示面板、有機電致發光顯示面板、有機發光二極體顯示面板、或微發光二極體顯示面板，然而本發明不限於此。
又，為達上述目的，本發明係根據上述影像感測器為基礎，進一步提供一種執行消除背景雜訊的感測方法，其係包含有：一偏極化步驟，一入射光發射至一影像感測器，複數第一偏振片將該入射光轉換為一第一入射光，複數第二偏振片將該入射光轉換為一第二入射光；一轉換步驟，該等第一偏振片所覆蓋的該等單位像素的該光電轉換元件，其係接收該第一入射光後產生一第一電子，該等第二偏振片所覆蓋的該等單位像素的該光電轉換元件，其係接收該第二入射光後產生一第二電子；；一消除步驟，一讀出電路將該第一電子以及該第二電子執行相減以及積分運算後，該讀出電路產生對應於電子數量的一電壓訊號；以及重複執行上述的偏極化步驟、轉換步驟、以及消除步驟N次，其中，N為0以及正整數其中之一，以產生較佳的信噪比(SNR, Signal-to-noise ratio)。
較佳地，根據本發明之感測方法，其係應用於光學指紋辨識的環境中。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該光電轉換元件為鉸接光二極體(pinned photo diode,PPD)。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該感測方法係進一步包含下列步驟：一重置步驟，藉由耦接於該電荷轉移元件的一電荷重置元件，該電荷重置元件重置該光電轉換元件中所儲存的電子；以及一轉移步驟，藉由耦接於該光電轉換元件的一電荷轉移元件，該電荷轉移元件將電子轉移至該讀出電路。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該等單位像素係進一步包含有一源極隨耦器(source follower)，其係耦接於該電荷轉移元件以及該電荷重置元件，該源極隨耦器(source follower)用於降低寄生電容的效應。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一偏極方向相同。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一偏極方向的夾角小於45度。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該實際訊號不遠大於該背景雜訊。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該第一偏振片與該第二偏振片由雙折射材料與金屬光柵的其中之一製成，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該第一偏極方向及該第二偏極方向相互正交，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該第一入射光包含有一第一背景光，一第一背景雜訊對應於該第一背景光所產生的電子數量，並且該第二入射光包含有一第二背景光，一第二背景雜訊對應於該第二背景光所產生的電子數量，該第一背景雜訊與該第二背景雜訊相同或相近，並且該第一背景光與該第二背景光的偏極方向不同，然而本發明不限於此。
較佳地，根據本發明之感測方法，其中，該讀出電路為差動積分器。
綜上，本發明所提供之影像感測器及其感測方法，主要利用本發明之影像感測器並搭配消除背景雜訊的感測方法，從而增加等效單位像素之滿阱容量，使得根據本發明之影像感測器可以容納更多的有效電子，藉此提升本發明之影像感測器的信噪比。
爲使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳加說明如下。
現在將參照其中示出本發明概念的示例性實施例的附圖 在下文中更充分地闡述本發明概念。以下藉由參照附圖更詳細地闡述的示例性實施例，本發明概念的優點及特徵以及其達成方法將顯而易見。然而，應注意，本發明概念並非僅限於以下示例性實施例，而是可實施為各種形式。因此，提供示例性實施例僅是為了揭露本發明概念並使熟習此項技術者瞭解本發明概念的類別。在圖式中，本發明概念的示例性實施例並非僅限於本文所提供的特定實例且為清晰起見而進行誇大。
本文所用術語僅用於闡述特定實施例，而並非旨在限制本發明。除非上下文中清楚地另外指明，否則本文所用的單數形式的用語「一」及「該」旨在亦包括複數形式。本文所用的用語「及/或」包括相關所列項其中一或多者的任意及所有組合。應理解，當稱元件「連接」或「耦合」至另一元件時，所述元件可直接連接或耦合至所述另一元件或可存在中間元件。
相似地，應理解，當稱一個元件(例如層、區或基板)位於另一元件「上」時，所述元件可直接位於所述另一元件上，或可存在中間元件。相比之下，用語「直接」意指不存在中間元件。更應理解，當在本文中使用用語「包括」、「包含」時，是表明所陳述的特徵、整數、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件、及/或其群組的存在或添加。
此外，將藉由作為本發明概念的理想化示例性圖的剖視圖來闡述詳細說明中的示例性實施例。相應地，可根據製造技術及/或可容許的誤差來修改示例性圖的形狀。因此，本發明概念的示例性實施例並非僅限於示例性圖中所示出的特定形狀，而是可包括可根據製造製程而產生的其他形狀。圖式中所例示的區域具有一般特性，且用於說明元件的特定形狀。因此，此不應被視為僅限於本發明概念的範圍。
亦應理解，儘管本文中可能使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來闡述各種元件，然而該些元件不應受限於該些用語。該些用語僅用於區分各個元件。因此，某些實施例中的第一元件可在其他實施例中被稱為第二元件，而此並不背離本發明的教示內容。本文中所闡釋及說明的本發明概念的態樣的示例性實施例包括其互補對應物。本說明書通篇中，相同的參考編號或相同的指示物表示相同的元件。
此外，本文中參照剖視圖及/或平面圖來闡述示例性實施例，其中所述剖視圖及/或平面圖是理想化示例性說明圖。因此，預期存在由例如製造技術及/或容差所造成的相對於圖示形狀的偏離。因此，示例性實施例不應被視作僅限於本文中所示區的形狀，而是欲包括由例如製造所導致的形狀偏差。因此，圖中所示的區為示意性的，且其形狀並非旨在說明裝置的區的實際形狀、亦並非旨在限制示例性實施例的範圍。
圖1為根據本發明之影像感測器的示意圖。如圖1所示，根據本發明之影像感測器100包括：基板11、單位像素12、第一偏振片13、第二偏振片14、以及讀出電路15。
具體地，根據本發明之影像感測器100，其係可以應用於指紋辨識及人臉辨識等方面，此外，根據本發明之該影像感測器100可以是背照式CMOS影像感測器或前照式CMOS影像感測器，然而本發明不限於此。
具體地，請參閱圖1所示，該等單位像素12，其係設置於基板11上，並且該等單位像素12中的每一個皆包含有至少一光電轉換元件121。其中，該光電轉換元件121接收入射光R以產生電子，並且該光電轉換元件121亦具有累積上述電子的能力，然而本發明不限於此。
具體地，光電轉換元件121可以是產生及累積對應於入射光R的電子的元件。舉例而言，光電轉換元件121可以選自光電二極體、光電電晶體(photo transistor)、光電閘(photo gate)、鉸接光二極體(pinned photo diode；PPD)其中之一或其組合。需要進一步說明的是，光電轉換元件121的電荷儲存容量有其極限，造成單位像素12具有滿阱容量(full well capacity, FWC)之限制。
具體地，單位像素12，其係可以是具有一個電晶體的結構。在一些實施例中，該單位像素12可以是具有三個電晶體的結構。舉例來說，單位像素12可以形成3T-APS(3 transistor-Active Pixel Sensor)結構，此外也可以使用其他適合的電晶體結構。舉例來說，在一些實施例中，該單位像素12可以是具有四個電晶體的結構，例如形成4T-APS(4 transistor-Active Pixel Sensor)結構。然而，本發明不限於此
具體地，請參閱圖1所示，該第一偏振片13，其係設置於該等單位像素的一部分上，複數第一偏振片13中的每一個皆覆蓋該等單位像素12中的一部分，該第一偏振片13用於使該等入射光R變為具有第一偏極方向(圖未示)的第一入射光R1 ，並且該光電轉換元件121接收第一入射光R1 後產生第一電子(圖未示)。
具體地，請參閱圖1所示，該第二偏振片14，其係設置於該等單位像素的另一部分上，複數第二偏振片14中的每一個皆覆蓋該等單位像素12中的另一部分，該第二偏振片用於使該等入射光R變為具有第二偏極方向(圖未示)的第二入射光R2 ，並且該光電轉換元件121接收第二入射光R2 後產生第二電子(圖未示)。
具體地，在本發明一些較佳實施例中，該第一偏極方向與該第二偏極方向相互正交，並且該第一偏振片13與該第二偏振片14可以是由雙折射材料與金屬光柵的其中之一所製成，然而本發明不限於此。
具體地，該讀出電路15，其係耦接於該等單位像素12，讀出電路15將該第一電子以及該第二電子執行相減以及積分運算後，該讀出電路15產生對應於電子數量的電壓訊號 (圖未示)。
請參閱圖2所示，圖2為說明根據本發明之單位像素的滿阱容量示意圖。如圖2所示，L1 表示光電轉換元件121所具有的滿阱容量(full well capacity, FWC)之限制，L2 表示光電轉換元件121接收具有第一偏極方向的第一入射光R1 後產生的第一電子數量(圖未示)。第一入射光R1 中包含實際訊號Rs 與背景光RB ，而實際訊號Rs 具有某種程度的偏極化，實際訊號Rs的偏極方向與第一偏振片偏極方向相同或夾角小於45度，另該背景光RB 為無偏極化。具體地，L2 中包含實際訊號Rs 所產生的電子數量Ls以及背景光RB 所產生的電子數量LB ，其中，Ls表示光電轉換元件121產生對應於實際訊號Rs 的電子數量。，並且LB 表示光電轉換元件121產生對應於背景光RB 的電子與暗電流貢獻的電子數量。此時，當實際訊號Rs 不遠大於背景光RB 時，會使得單位像素12之滿阱容量容易因背景光RB 而飽和，造成影像感測器無法取得較佳的信噪比。
值得一提的是，在本實施中，所指稱的指紋辨識應用即表示為指紋訊號不遠大於背景的情況，然而本發明不限於此。
有鑑於此，根據本發明之影像感測器100係藉由第一偏振片13覆蓋該等單位像素12的一部分，並且藉由第二偏振片14覆蓋該等單位像素12的另一部分，以分別積分單位時間內所累積及儲存的電子，其中，第一偏振片13所覆蓋的一部分的該等單位像素12所儲存的該等第一電子積分後為第一電子數量(圖未示)，第二偏振片14所覆蓋的另一部分的該等單位像素12所儲存的該等電子積分後為第二電子數量(圖未示)。
需要進一步說明的是，第一入射光R1 包含有第一背景光(圖未示)，且第二入射光R2 包含有第二背景光(圖未示)，其中，第一電子數量包括第一背景光所造成的第一背景雜訊(圖未示)，並且該第二電子數量包括第二背景光所造成的第二背景雜訊(圖未示)，其中該第一背景雜訊與該第二背景雜訊相同或相近，並且該第一背景光與該第二背景光的偏極方向不同，因此讀出電路15可以透過將第一電子數量及第二電子數量執行進行相減運算，以消除背景光RB 以及暗電流所造成單位像素12儲存及累積的電子的數量，該讀出電路15產生的電壓訊號為對應於實際訊號Rs ，不包含背景雜訊。
值得一提的是，在屏下(under display)光學指紋辨識應用中，根據本發明而消除的背景雜訊可包含莫列波紋(moire pattern)與OLED面板的圖案，然而本發明不限於此。
請參閱圖3所示，圖3為說明執行本發明之感測方法的步驟流程圖。如圖3所示，本發明係進一步提供一種感測方法，其係可以應用於上述之影像感測器100，該感測方法係包含下列步驟：
偏極化步驟S1 ，入射光R發射至影像感測器100，第一偏振片13將入射光R轉換為第一入射光R1 ，第二偏振片14將入射光R轉換為第二入射光R2 ，接著執行轉換步驟S2 。
轉換步驟S2 ，藉由第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121，其係接收第一入射光R1 後產生第一電子，藉由該等第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121，其係接收第二入射光R2 後產生第二電子，接著執行消除步驟S3 。
消除步驟S3 ，讀出電路15將該第一電子以及該第二電子執行相減以及積分運算後，該15產生對應於電子數量的電壓訊號。
最後，重複執行上述步驟，其方式及原理同上所述，在此不再重複說明。值得一提的是，透過重複執行上述步驟，可不斷積分實際訊號Rs 但不積分背景雜訊。此外，本發明之感測方法也可以僅執行一次偏極化步驟S1 、轉換步驟S2 、消除步驟S3 ，然而本發明不限於此。
藉此，以根據本發明之影像感測器100為基礎，並搭配本發明所提供之感測方法，其係可以成功消除背景光RB 所產生的電子以及環境中熱能所產生的暗電流，達成在不改變滿阱容量之大小的情況下等效增進單位像素12之滿阱容量的功效，使得根據本發明之影像感測器100可以容納更多的有效電子，從而提升本發明之影像感測器100的信噪比。
（第1實施例） 以下，參照圖式，說明本發明的影像感測器100的第一實施之實施形態。
請參閱圖4所示，圖4為根據本發明第一實施例之影像感測器的系統示意圖。如圖4所示，根據本發明第一實施例之影像感測器100，其係應用於指紋感測系統，該影像感測器100包括：基板11、單位像素12、第一偏振片13、第二偏振片14、以及讀出電路15。
具體地，請參閱圖5所示，圖5為說明根據本發明第一實施例之影像感測器的位置示意圖。如圖5所示，該第一偏振片13，其係設置於該等單位像素的一部分上，該等第一偏振片中的每一個皆覆蓋至少一該等單位像素，當該指紋影像200產生複數入射光R時，該第一偏振片用於使該等入射光R變為具有第一偏極方向(圖未示)的第一入射光R1 。需要進一步說明的是，在本實施例中，第一偏極方向係設置為指紋影像200的偏極方向，然而本發明不限於此。
具體地，如圖4所示，該第二偏振片14，其係設置於該等單位像素的另一部分上，該第二偏振片中的每一個皆覆蓋至少一該等單位像素，當該指紋影像200產生複數入射光R時，該第二偏振片用於使該等入射光R變為具有第二偏極方向(圖未示)的第二入射光R2 。
需要進一步說明的是，在本實施例中，該第一偏極方向及該第二偏極方向相互正交，然而使用者可視自身所使用之系統需求，任意選擇第一偏極方向及第二偏極方向，然而本發明不限於此。
需要進一步說明的是，在本實施例中，該第一偏極方向及該第二偏極方向亦可為相互正交的左旋右旋偏極方向，然而本發明不限於此。
具體地，請參閱圖6所示，圖6為說明根據本發明第一實施例之影像感測器的架構示意圖。在本實施例中，單位像素12係進一步包含有電荷轉移元件122以及電荷重置元件123。其中，電荷轉移元件122，其係耦接於光電轉換元件121，電荷轉移元件122將電子轉移至讀出電路15；電荷重置元件123，其係耦接於該電荷轉移元件122，該電荷重置元件123係用於重置光電轉換元件121中所儲存的電荷。
需要進一步說明的是，根據本發明之影像感測器100所累積的有效電子計算方式如下列公式所示，參閱公式(1)，pixel_1係表示第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121接收第一入射光R1 後所產生的第一電子，100%SIG係表示由於第一偏極方向與指紋影像200的偏極方向一致，因此第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121可以產生百分之的指紋影像200的電子，50%BGL係表示由於背景光RB 可以是具有任意偏極方向，因此第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121僅產生百分之五十的背景光RB 的電子；參閱公式(2)，pixel_2係表示第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121接收第二入射光R2 後所產生的第二電子，0%SIG係表示由於第一偏極方向與指紋影像200的偏極方向一致，且第一偏極方向與第二偏極方向相互正交，因此第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121沒有接收到任何的指紋影像200，50%BGL係表示由於背景光RB 可以是具有任意偏極方向，因此第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121可以產生另一部百分之五十的背景光RB 的電子；參閱公式(3)所示，可以理解的是，根據本發明之讀出電路可以將公式(1)與公式(2)藉由運算，使用者係可以得到百分之百由指紋影像200所產生的電子，然而本發明不限於此。
Figure 02_image001
……..公式(1)
Figure 02_image003
……..公式(2)
Figure 02_image005
……..公式(3)
請參閱圖7所示，圖7為根據本發明第一實施例之影像感測器的示意性電路方塊圖。如圖7所示，讀出電路15內部之電路ϕ1 、電路ϕ1d 係將第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121所產生的第一電荷以及第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121所產生的第二電荷分別儲存至讀出電路15內部之電容CS ，讀出電路15內部之電路ϕ2 、電路ϕ2d 係將該第一電荷以及該第二電荷轉移至電容Cf ，使讀出電路15執行相減運算。電路ϕ1d 的控制時序係為電路ϕ1 控制時序之延遲，電路ϕ2d 的控制時序係為電路ϕ2 控制時序之延遲，讀出電路15內部之電路ϕop_rst 係作為重置該讀出電路15中的運算放大器。藉此，讀出電路15可產生對應於真正訊號的電壓訊號，成功消除背景光RB 所產生的電子以及環境中熱能所產生的暗電流。另外，藉由重複上述操作，可以不斷地對電壓訊號積分，等效上即是對真正的訊號積分，達成在不改變滿阱容量之大小的情況下增進等效單位像素12之滿阱容量的功效，然而本發明不限於此。
請參閱圖8所示，圖8為說明執行根據本發明第一實施例之感測方法的步驟流程圖。如圖8所示，本發明係進一步提供一種感測方法，其係可以應用於上述之影像感測器100，該影像感測方法係包含下列步驟：
重置步驟S1 '，藉由耦接於電荷轉移元件122的電荷重置元件123，電荷重置元件123重置光電轉換元件121中所儲存的電子，接著執行偏極化步驟S2 '。
偏極化步驟S2 '，入射光R發射至影像感測器100，第一偏振片13將入射光R轉換為第一入射光R1 ，第二偏振片14將入射光R轉換為第二入射光R2 ，接著執行轉換步驟S3 '。
轉換步驟S3 '，藉由第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121，其係接收第一入射光R1 後產生第一電子，藉由該等第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121，其係接收第二入射光R2 後產生第二電子，接著執行轉移步驟S4 '。
轉移步驟S4 '，藉由耦接於光電轉換元件121的光電子轉移元件122，光電子轉移元件122將光電子轉移至讀出電路15，接著執行消除步驟S5 '。
消除步驟S5 '，讀出電路15將該第一電子以及該第二電子執行相減以及積分運算後，該讀出電路15產生對應於電子數量的電壓訊號。
最後，重複執行上述步驟，其方式及原理同上所述，在此不再重複說明。
舉例而言，請參閱圖9，並且搭配圖4至圖8所示，圖9為說明執行本發明第一實施例之影像感測器的感測方法的時序圖。如圖9所示，首先，入射光R發射至影像感測器100，而電荷轉移元件122、電荷重置元件123、電路ϕop_rst 啟動以進行光電轉換元件121與讀出電路15的重置；接著，藉由單位像素12中的光電轉換元件121接收入射光R後產生電子，其中藉由該等第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121，接收第一入射光R1後產生第一電子，藉由該等第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121，接收第二入射光R2 後產生第二電子；接著，藉由耦接於光電轉換元件121的電荷轉移元件122啟動以將電子轉移至讀出電路15；同時，電路ϕop_rst 啟動以重置該讀出電路15中所儲存的電子；之後，電路ϕ1 以及電路ϕ1d 係先後啟動，以將第一偏振片13所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121所產生的第一電子以及第二偏振片14所覆蓋的單位像素12的光電轉換元件121所產生的第二電子分別轉移至電容CS ；隨後，電路ϕ2 以及電路ϕ2d 係先後啟動，以將該第一電子以及該第二電子轉移至電容Cf ，使運算單元15執行相減運算；藉此，使得根據本發明之影像感測器100儲存百分之百由指紋影像200所產生的電子，然而本發明不限於此。最後，重複執行上述步驟以進行積分運算，使得根據本發明之影像感測器100重複接收入射光R，然而本發明不限於此。
如此一來，藉由本發明第一實施例之影像感測器100為基礎，並搭配本發明所提供之感測方法，其係可以成功消除背景光RB 所產生的電子以及環境中熱能所產生的暗電流之電子，達成在不改變滿阱容量之大小的情況下增進等效單位像素12之滿阱容量的功效，使得根據本發明第一實施例之影像感測器100可以容納更多的有效電子，從而提升本發明之影像感測器100的信噪比。
以下提供影像感測器100的其他示例，以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者更清楚的理解可能的變化。以與上述實施例相同的元件符號指示的元件實質上相同於上述參照圖6所敘述者。與影像感測器100相同的元件、特徵、和優點將不再贅述。
請參閱圖10所示，其係為說明根據本發明第二實施例的影像感測器100。第二實施例相較於第一實施例，第二實施例的主要結構差異在於，第二實施例之影像感測器100，其中該單位像素12可以是具有四個電晶體的結構，也就是具備電荷重置元件123(reset device)，電荷轉移元件122(charge transfer device)，源極隨耦器22(source follower)和選擇閘23(select gate)。藉由源極隨耦器(source follower)可以降低寄生電容的效應。根據本發明第二實施例之單位像素12所使用的材料和其他特性類似於根據本發明第一實施例之單位像素12，在此不再贅述。
請參閱圖11所示，其係為說明根據本發明第三實施例的影像感測器100。第三實施例相較於第二實施例，第三實施例的主要結構差異在於，選擇閘23(select gate)的位置不同。第三實施例之影像感測器100，其中該單位像素12具有四個電晶體的結構，其結構原理類似於根據本發明第二實施例之單位像素12，並且根據本發明第三實施例之單位像素12所使用的材料和其他特性類似於根據本發明第一實施例之單位像素12，在此不再贅述。
請參閱圖12所示，其係為說明根據本發明第四實施例的影像感測器100。第四實施例相較於第三實施例，第四實施例的主要結構差異在於，第四實施例之影像感測器100，其中更包含了增益放大器21 (gain amplifier)。增益放大器21接收單位像素12的訊號並進行放大，如此一來，訊噪比將可更進一步提升。根據本發明第四實施例之單位像素12所使用的材料和其他特性類似於根據本發明第一實施例之單位像素12，在此不再贅述。
請參閱圖13所示，其係為說明根據本發明第五實施例的影像感測器100。第五實施例相較於第四實施例，第五實施例的主要結構差異在於，第五實施例之影像感測器100，其中該增益放大器21為差動形式(differential type)，因此其對於來自電源的雜訊的抑制能力較佳。根據本發明第五實施例之單位像素12所使用的材料和其他特性類似於根據本發明第一實施例之單位像素12，在此不再贅述。
可以理解的是，本發明所屬技術領域中具有通常知識者能夠基於上述示例再作出各種變化和調整，在此不再一一列舉。
以下將說明根據本發明之影像感測器應用在顯示裝置的實施例。
請參照圖14，圖14為根據本發明一較佳實施例之顯示裝置的結構示意圖。顯示裝置400包括一顯示面板300和影像感測器100。顯示面板400具有一顯示區。影像感測器件100設置在顯示面板300上。影像感測器件100對應地與顯示區重疊。具體來說，顯示面板300可以但不限於為液晶顯示面板(LCD)、有機電致發光顯示面板、有機發光二極體顯示面板、或微發光二極體顯示面板(μLED display)。
最後，再將本發明的技術特徵及其可達成之技術功效彙整如下：
其一，藉由本發明之影像感測器100為基礎，並搭配本發明所提供之感測方法，成功消除背景光RB 所產生的電子以及環境中熱能所產生的暗電流之電子，達成在不改變滿阱容量之大小的情況下增進等效單位像素12之滿阱容量的功效。
其二，根據本發明之影像感測器100，其係藉由消除背景光RB 所產生的電子以及環境中熱能所產生的暗電流之電子，使得根據本發明之影像感測器100可以容納更多的有效電子，從而提升本發明之影像感測器100的信噪比。
其三，解決背景雜訊相比於實際訊號Rs 佔據過多的滿阱容量的百分比之問題，藉由消除背景光RB 所產生的電子以及環境中熱能所產生的暗電流之電子，提升本發明之影像感測器100的信噪比，進而提升光學指紋辨識的精確度。
以上係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。
100:影像感測器 11:基板 12:單位像素 121:光電轉換元件 122:電荷轉移元件 123:電荷重置元件 13:第一偏振片 14:第二偏振片 15:讀出電路 21:增益放大器 22:源極隨耦器 23:選擇閘 200:指紋影像 300:顯示面板 400:顯示裝置 L1:線 L2:線 Ls:線 LB:線 R:入射光 R1:第一入射光 R2:第二入射光 RB:背景光 Rs :實際訊號 S1:偏極化步驟 S2:轉換步驟 S3:消除步驟 S1':重置步驟 S2':偏極化步驟 S3':轉換步驟 S4':轉移步驟 S5':消除步驟 ϕ1:電路 ϕ2:電路 ϕ1d:電路 ϕ2d:電路 ϕop_rst:電路 CS:電容 Cf:電容
圖1為根據本發明之影像感測器的示意圖； 圖2為說明根據本發明之單位像素的滿阱容量示意圖； 圖3為說明執行本發明之感測方法的步驟流程圖； 圖4為根據本發明第一實施例之影像感測器的系統示意圖； 圖5為說明根據本發明第一實施例之影像感測器的位置示意圖； 圖6為說明根據本發明第一實施例之影像感測器的架構示意圖； 圖7為根據本發明第一實施例之影像感測器的示意性電路方塊圖； 圖8為說明執行根據本發明第一實施例之感測方法的步驟流程圖； 圖9為說明執行本發明第一實施例之影像感測器的感測方法的時序圖； 圖10為說明根據本發明第二實施例的影像感測器； 圖11為說明根據本發明第三實施例的影像感測器； 圖12為說明根據本發明第四實施例的影像感測器； 圖13為說明根據本發明第五實施例的影像感測器； 圖14為根據本發明一較佳實施例之顯示裝置的結構示意圖。
100:指紋辨識系統
11:基板
12:單位像素
121:光電轉換元件
13:第一偏振片
14:第二偏振片
15:讀出電路

Claims (26)

  1. 一種影像感測器，其係用於接收一入射光，該影像感測器包括：一基板；複數單位像素，其係設置於該基板上，該等單位像素中的每一個皆包含有一光電轉換元件，該光電轉換元件接收該入射光後產生電子；複數第一偏振片，其係設置於該等單位像素的一部分上，該等第一偏振片中的每一個皆覆蓋一部分該等單位像素中的每一個，該等第一偏振片用於使該入射光變為具有一第一偏極方向的一第一入射光，該光電轉換元件接收該第一入射光後產生複數第一電子；複數第二偏振片，其係設置於該等單位像素的另一部分上，該等第二偏振片中的每一個皆覆蓋另一部分該等單位像素中的每一個，該等第二偏振片用於使該等入射光變為具有一第二偏極方向的一第二入射光，該光電轉換元件接收該第二入射光後產生複數第二電子；以及複數讀出電路，其係耦接於該等單位像素，該讀出電路將該等第一電子以及該等第二電子執行相減以及積分運算後，該讀出電路產生一電壓訊號；其中，該入射光包含有一實際訊號以及一背景雜訊，該等讀出電路產生的該電壓訊號消除該背景雜訊且對應於該實際訊號的電子數量。
  2. 如請求項1所述的影像感測器，其係應用於光學指紋辨識的環境中。
  3. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該光電轉換元件為鉸接光二極體(pinned photo diode,PPD)。
  4. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該等單位像素係進一步包含有：一電荷轉移元件，其係耦接於該光電轉換元件，該等電荷轉移元件將電子轉移至該讀出電路；以及一電荷重置元件，其係耦接於該電荷轉移元件，該電荷重置元件用於重置該光電轉換元件中所儲存的電子。
  5. 如請求項4所述的影像感測器，其中，該等單位像素係進一步包含有一源極隨耦器(source follower)，其係耦接於該電荷轉移元件以及該電荷重置元件，該源極隨耦器(source follower)用於降低寄生電容的效應。
  6. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一偏極方向相同。
  7. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一偏極方向的夾角小於45度。
  8. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該實際訊號不遠大於該背景雜訊。
  9. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該第一偏振片與該第二偏振片由雙折射材料與金屬光柵的其中之一製成。
  10. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該第一偏極方向及該第二偏極方向相互正交。
  11. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該第一入射光包含有一第一背景光，一第一背景雜訊對應於該第一背景光所產生的電子數量，並且一第二入射光包含有一第二背景光，一第二背景雜訊對應於該第二背景光所產生的電子數量，該第一背景雜訊與該第二背景雜訊相同或相近，並且該第一背景光與該第二背景光的偏極方向不同。
  12. 如請求項1所述的影像感測器，其中，該讀出電路為差動積分器。
  13. 一種顯示裝置，包括：一顯示面板，具有一顯示區；以及如請求項1至12中任一項所述之影像感測器，設置在該顯示面板上，其中，該影像感測器對應地與該顯示區重疊。
  14. 如請求項13所述之顯示裝置，其中，該顯示面板為液晶顯示面板、有機電致發光顯示面板、有機發光二極體顯示面板、或微發光二極體顯示面板。
  15. 一種感測方法，其係包含下列步驟：一偏極化步驟，一入射光發射至一影像感測器，複數第一偏振片將該入射光轉換為一第一入射光，複數第二偏振片將該入射光轉換為一第二入射光；一轉換步驟，該等第一偏振片所覆蓋的複數單位像素的一光電轉換元件，接收該第一入射光後產生一第一電子，該等第二偏振片所覆蓋的該等單位像素的該光電轉換元件，接收該第二入射光後產生一第二電子；一消除步驟，一讀出電路將該第一電子以及該第二電子執行相減以及積分運算後，該讀出電路產生消除一背景雜訊且對應於一實際訊號的一電壓訊號；以及重複執行上述的偏極化步驟、轉換步驟、以及消除步驟N次，其中，N為0以及正整數其中之一。
  16. 如請求項15所述的感測方法，其係應用於光學指紋辨識的環境中。
  17. 如請求項15所述的感測方法，其中，該光電轉換元件為鉸接光二極體(pinned photo diode,PPD)。
  18. 如請求項15所述的感測方法，其係進一步包含下列步驟：一重置步驟，藉由耦接於該電荷轉移元件的一電荷重置元件，該電荷重置元件重置該光電轉換元件中所儲存的電子；以及一轉移步驟，藉由耦接於該光電轉換元件的一電荷轉移元件，該電荷轉移元件將電子轉移至該讀出電路。
  19. 如請求項18所述的感測方法，其中，該等單位像素係進一步包含有一源極隨耦器(source follower)，其係耦接於該電荷轉移元件以及該電荷重置元件，該源極隨耦器(source follower)用於降低寄生電容的效應。
  20. 如請求項15所述的感測方法，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一入射光的偏極方向相同。
  21. 如請求項15所述的感測方法，其中，該實際訊號所對應的該入射光的偏極方向與該第一入射光的偏極方向的夾角小於45度。
  22. 如請求項15所述的感測方法，其中，該實際訊號不遠大於該背景雜訊。
  23. 如請求項15所述的感測方法，其中，該第一偏振片與該第二偏振片由雙折射材料與金屬光柵的其中之一製成。
  24. 如請求項15所述的感測方法，其中，該第一入射光的偏極方向及該第二入射光的偏極方向相互正交。
  25. 如請求項15所述的感測方法，其中，該第一入射光包含有一第一背景光，一第一背景雜訊對應於該第一背景光所產生的電子數量，並且該第二入射光包含有一第二背景光，一第二背景雜訊對應於該第二背景光所產生的電子數量，該第一背景雜訊與該第二背景雜訊相同或相近，並且該第一背景光與該第二背景光的偏極方向不同。
  26. 如請求項15所述的感測方法，其中，該讀出電路為差動積分器。
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