专利名称：光敏器件系统和它的驱动控制方法
所属领域本发明涉及光敏器件系统和它的驱动控制方法，该系统具有一个由二维排列的若干个光敏器件构成的光敏器件阵列。
背景技术：
作为一个用于读出打印、照片或精细的三维图形如手印的常规的二维图像读出设备，一些结构具有由矩阵中二维排列的光敏器件(光接收部件)构成的光敏器件阵列。这个光敏器件阵列一般使用固态成像装置如CCD(电荷耦合器件)。
如公知的，CCD的结构中光敏器件如光电二极管或薄膜晶体管(TFT薄膜晶体管)安排在一个矩阵中，相应于进入每个传感器光接收部分的光量产生的电子和空穴对的电荷量通过水平扫描电路和垂直扫描电路检测辐射亮度来检测。
在使用如CCD的光敏器件系统中，需要给每个扫描光敏器件提供一个选择的晶体管用于使扫描的光敏器件假定一种选择的状态。随着像素数量的增加，这增加了系统尺寸。为了防止这一点，现在开发出一种光敏器件(以后称为双选通光敏器件)，它由具有所谓的双选通(漏)结构的薄膜晶体管形成并且具有光检测功能和选择功能。
图18A是双选通光敏器件10结构的剖面图。图18B是双选通光敏器件10的等效电路的电路图。如图18A所示，双选通光敏器件10包括根据接收的可见光产生电子和空穴对的非晶硅或诸如此类形成的半导体层11、分别在半导体层11的两端形成的n+硅层17和18、分别在n+硅层17和18上形成的源极12和漏极13、经过块绝缘薄膜14和上选通绝缘薄膜15在半导体层11上形成的上选通电极21，经过下选通绝缘薄膜16在半导体薄膜11以下形成的下选通电极22。在玻璃或诸如此类形成的透明绝缘基片19上提供双选通光敏器件10。在图18A中，上选通电极21、上选通绝缘薄膜15、下选通绝缘薄膜16以及在上选通电极21上形成的保护绝缘薄膜20由对于可见光具有高透视比的材料，该可见光使半导体层11感光。相反，下选通电极22由屏蔽可见光传输的材料组成，并且具有仅检测从图18A结构上面入射的辐射光的结构。
可以认为双选通光敏器件10是在玻璃或诸如此类的透明绝缘基片19上，由使用半导体层11作为公共通道的两个MOS晶体管组合形成的结构，即上MOS晶体管由半导体层11、源极12、漏极13、上选通电极21组成，下MOS晶体管由半导体层11、源极12、漏极13、下选通电极22组成。这个双选通光敏器件10一般能够通过图18B所示的等效电路表示。在图18B中，TG表示上选通端子；BG表示下选通端子；S表示源极端子；D表示漏极端子。
图19是由二维排列的双选通光敏器件构成的光敏器件系统的示意图。如图19所示，光敏器件系统由一个光敏器件阵列100大致构成，该阵列包括安排在n(m矩阵的许多双选通光敏器件10、在行的方向上连接双选通光敏器件10的上选通端子TG和下选通端子BG的上选通线路101和下选通线路102、分别连接到上选通线路101和下选通线路102的上选通驱动器111和下选通驱动器112、在列的方向上连接到双选通光敏器件的漏极D的数据线103、以及连接到数据线103的输出电路部分113。(tg和(bg分别表示用于产生复位脉冲(Ti和读出脉冲(Bi的控制信号，它们在以后描述，(pg表示用于控制预充电电压Vpg施加时间的预充电脉冲。
在上述结构中，通过从上选通驱动器111到上选通端子TG施加电压来实现光检测功能，同时通过从下选通驱动器112到下选通端子BG施加电压来实现选择/读出功能，然后经过数据线103发送检测信号到输出电路部分113的输出电路部分，并且输出串行数据Vout。
图20A到20D是时序图，它们示出控制光敏器件系统的方法，并且示出在传感器阵列100的第i行的检测周期(第i行处理周期)。
首先，图20A示出的高电平脉冲电压(复位脉冲；例如Vtgh＝+15V)(Ti施加到第i行的上选通线路101，并且在复位周期Treset期间，执行对第i行双选通光敏器件10放电的复位操作。
接着，低电平的偏置电压(Ti(例如Vtg1＝-15V)施加到上选通线路101，因此完成复位周期Treset并且开始对通道区域充电的电荷积累周期Ta。在电荷积累周期Ta期间，相应于从上选通电极一侧进入每个传感器的光量的电荷(空穴)在通道区域中积累。
然后，在电荷积累周期Ta的部分期间，具有图20C示出的预充电电压Vpg的预充电脉冲(pg施加到数据线103，在用于漏极13保持电荷的预充电周期Tprch周期之后，图20B示出的高电平(例如Vbgh＝+10V)的偏置电压(读出脉冲(Bi)施加到下选通线路102。然后，第i行的双选通光敏器件10被接通以开始读出周期Tread。
在读出周期Tread期间，在通道区域积累的电荷用于调节低电平电压(例如Vtgl＝-15V)，该电压对通道区域积累的电荷具有反向极性并且施加到每个上选通端子TG。因此，由每个下选通端子BG的电压Vbgh形成n型通道，在施加预充电电压Vpg之后数据线103的电压VD根据漏极电流逐渐减少一段时间。更准确地说，数据线103上电压VD的变化趋势取决于电荷积累周期Ta和接收的光量。如图20D所示，当入射光是黑暗的，即接收到少量的光时，电压VD趋于逐渐减少，因此只积累很少的电荷，反之，当入射光是明亮的，即接收到大量的光时，它们趋于突然减少，因此积累大量的电荷。由这一点，应该理解通过在读出周期Tread开始之后一个预定周期检测数据线103的电压VD，或者通过检测所需的周期直到电压VD达到预定的门限值电压可以计算辐射量。
通过顺序地执行每排传感器阵列100的上述驱动控制，通过在不重叠驱动脉冲的不同时间以并行的方式执行每个线路的驱动控制来完成图像读出。
虽然上面已经描述了使用双选通光敏器件作为光敏器件的情况，使用光电二极管或光电晶体管作为光敏器件的光敏器件系统还具有的操作步骤复位操作(电荷积累操作(预充电操作(读操作，并且使用类似的驱动序列。
如上面常规的光敏器件系统具有下面的问题。
如上所述，为了在具有二维光敏器件阵列的光敏器件系统的不同使用环境中读出对象图像，必须适当地设置读出灵敏度。适当的读出灵敏度根据环境条件如使用环境的外部光照度的变化而变化，并且当光敏器件的特性变化时也变化。在现有技术中，必须另外配置用于检测外部光照度的电路。另外，在对象图像正常读出操作开始之前，使用对象如正常的样本改变读出灵敏度为若干个级的读出操作(预读出操作)必须被执行，以从读出结果获得读出灵敏度的最优值。然而，根据预读出操作获得的每个电荷积累周期的读出结果，唯一地和自动地设置适当的电荷积累周期的读出灵敏度设置方法还没有开发出来。
另外，当光敏器件阵列的检测范围大于一个对象如预读出操作中使用的标准样本时，或者对象被放置在偏离正常位置而不能将对象覆盖到检测范围部分的位置时，通过预读出操作读出的图像包含背景图像以及对象图像。在这种情况下，读出背景的图像可能在获得读出灵敏度最优值时影响图像处理，不能设置适当的读出灵敏度。如果这个光敏器件系统应用于例如手印读出设备，则产生如不正常的手印鉴别问题。
发明概述本发明的目的是根据对象图像正常读出操作开始之前立刻获得的读出结果提供一种唯一和自动设置适当的读出灵敏度的读出灵敏度设置方法，以便在具有二维排列的若干个光敏器件构成的光敏器件阵列的光敏器件系统的不同使用环境下精确地读出对象图像。本发明的另一个目的是为了设置灵敏度，即使在完成对象图像的读出操作中对象放置在光敏器件阵列检测范围的位置偏离正常位置时也能防止设置读出灵敏度中任何误动作。
为了达到上述目的，本发明的光敏器件系统包括由二维排列的光敏器件构成的光敏器件阵列、用于提供驱动信号到光敏器件的驱动器电路、用于控制对象图像的读出操作和灵敏度设置的控制器、用于存储读出图像数据的RAM、与灵敏度设置处理有关的数据等等。
本发明的读出灵敏度设置方法包括通过例如在对象图像的正常读出操作开始之前对于相应的行立刻完成预读出操作同时以若干个级改变图像读出灵敏度来读出对象的图像数据；计算每个图像读出灵敏度亮度数据的相邻像素之间的绝对差值；从计算的绝对差值提取每个图像读出灵敏度的最大绝对差值；从提取的图像读出灵敏度的代表差值提取具有最大代表差值的图像读出灵敏度；以及设置提取的图像读出灵敏度作为最优读出灵敏度。
即使当环境光改变或光敏器件的特性改变时，最优图像读出灵敏度也可以根据该变化设置。另外，即使在完成预读出操作中对象放置在光敏器件阵列检测范围的位置偏离正常位置时，读出图像数据也包含背景图形和对象图像，相邻像素之间的亮度数据的绝对差值可以用于识别紧密接触光敏器件阵列放置的对象，以允许从图像在焦点外而不能清楚地读出明亮/黑暗图形的背景图形中清楚地读出明亮/黑暗图形。这样，可以提取和设置适当的图像读出灵敏度而不受背景图形的任何影响。可以提供具有高可靠性的图像读出灵敏度设置方法。
附图简要说明图1是本发明光敏器件系统装置的方框图；图2是应用于本发明实施例的控制器装置的方框图；图3是本发明实施例操作的流程图；图4是在本发明实施例的预读出操作中当手指如图4所示偏左地接触到手印读出表面时，读出手印图像的图像数据例子的示意图；图5A是通过预读出操作获得的特定行图像数据上相应像素的亮度数据变化的图形；图5B是图5A亮度数据中相邻像素之间绝对差值变化的图形；图6是通过预读出操作获得的相应行图像数据的亮度数据的代表差值变化、以及相应行亮度数据的动态范围变化的图形；图7A是用于说明通过预读出操作获得的每行图像数据亮度数据的代表差值的表格；图7B是用于说明在预读出操作中行数与图像读出灵敏度对应表的表格；图8是在预读出操作中当手指正常地几乎接触到手印读出表面中心时读出手印图像的图像数据的例子的示意图9A和9B分别是图8图像数据灵敏度确定区域的示意图；图10是通过图9A示出的灵敏度确定范围内预读出操作获得的特定行图像数据的亮度数据变化的图形；图11是通过图9A示出的灵敏度确定范围内预读出操作获得的相应行图像数据的亮度数据动态范围分布的图形；图12A和12B分别是图4图像数据的灵敏度确定范围的示意图；图13是图12A示出的灵敏度确定范围内图4的特定行图像数据的亮度数据变化的图形；图14是图12A示出的灵敏度确定范围内图4的相应行图像数据的亮度数据动态范围变化、以及相应行亮度数据的代表差值变化的图形；图15A到15J是应用于本发明实施例预读出操作的图像读出灵敏度设置方法的第一实施例的时序图；图16A到16J是应用于本发明实施例预读出操作的图像读出灵敏度设置方法的第二实施例的时序图；图17A到17H是在本发明光敏器件系统驱动控制方法中，在预读出和图像读出周期之后设置有效电压调节周期的实施例的时序图；图18A是双选通光敏器件结构的剖面图；图18B是双选通光敏器件的等效电路图；图19是由二维排列的双选通光敏器件构造的光敏器件系统的示意图；以及图20A-20D是双选通光敏器件系统的常规驱动方法的时序图。
用于实现本发明的最好方式现在参照附图详细地描述本发明的光敏器件系统和它的驱动控制方法。
虽然在下面的实施例中使用双选通光敏器件作为光敏器件，但本发明并不限于双选通光敏器件，也可以使用其他类型的光敏器件应用于光敏器件系统。
图1是本发明光敏器件系统装置的方框图。使用图18A示出的双选通光敏器件，如果需要，参照图19示出的光敏器件系统装置。图19示出的光敏器件系统相同的标号表示相同的部件。
如图1所示，根据实施例用于光敏器件系统的灵敏度调节设备包括由图18A示出的二维排列的双选通光敏器件10构造的光敏器件阵列100；以预定的时间施加预定的复位脉冲到每个双选通光敏器件10的上选通端子TG的上选通驱动器111；以预定的时间施加预定的读出脉冲到每个双选通光敏器件10的下选通端子BG的下选通驱动器112；由用于读出数据线电压并且分别施加预充电电压到每个双选通光敏器件10的放大器116和列转换器114以及预充电转换器115组成的输出电路部分113；用于将作为模拟信号的读出数据电压转换为作为数字信号的图像数据的模/数转换器(以后称为A/D转换器)；适用于控制由光敏器件阵列100读出对象图像的操作、与外部功能部分200交换数据、控制本发明灵敏度设置的控制器120；以及存储例如读出的图像数据、与以后描述的灵敏度调节处理有关数据的RAM 130。
包括光敏器件阵列100、上选通驱动器111、下选通驱动器112和输出电路部分113的结构与图19示出的光敏器件系统相同并且具有相同的功能。另外，这个实施例采用了A/D转换器117、控制器120以及RAM 130以实现完成灵敏度设置控制的功能(以后描述)。
这个实施例的控制器120分别输出预定的控制信号(tg和(bg到上选通驱动器111和下选通驱动器112，而它们又分别输出预定的驱动信号电压(复位脉冲和读出脉冲)到光敏器件阵列100的每个双选通光敏器件的上选通端子TG和下选通端子BG。控制器120还输出预定的控制信号(pg到预充电转换器115以施加预充电电压到数据线并且控制执行读出对象图像的操作。控制器120具有通过从双选通光敏器件10读出的数据线电压经过放大器116和A/C转换器117转换为数字信号的图像数据的功能，执行图像数据预定的图像处理的功能，在RAM130上写入或读出图像数据的功能，以及连接执行预定处理如图像数据识别、修改等等的外部功能部分200的功能。控制器120的另一个功能是适当地控制要输出到上选通驱动器111和下选通驱动器112的控制信号，以根据周围环境如外部光的照度设置能够最优地读出对象图像的最优读出灵敏度，即对于每个双选通光敏器件10的最优电荷积累周期。
参照附图可以更详细地解释应用于这个实施例的控制器装置和它的灵敏度设置操作。
图2是应用于这个实施例的控制器装置的方框图。如图2所示，这个实施例的控制器120包括用于控制上选通驱动器111、下选通驱动器112、输出电路部分113的器件控制器121；用于管理各种数据如图像数据、写入数据、对于RAM 130的读出数据的数据控制器122；管理装置和数据控制器121和122并且与外部功能部分200连接的主控制器123。
控制器120还包括经过A/D转换器117由相应于构造光敏器件阵列100的每个光敏器件的像素形成的图像数据接收作为来自光敏器件阵列100的数字信号，计算这个像素数据相邻像素之间特定的测量数据差值的绝对值，提取最大差值的绝对值的数据比较器124和加法器125；用于经过A/D转换器117、数据比较器124、加法器125、转换RAM 130的写入/读出接收处理的图像数据或测量数据、重新输入到数据比较器124和加法器125、以及根据接收的数据经过数据控制器122输出到外部功能部分的数据选择器126；以及用于改变从装置控制器121输出到上选通驱动器111和下选通驱动器112的控制信号以便根据来自数据控制器122的控制信号优化光敏器件阵列的读出灵敏度的灵敏度设置寄存器127。
现在参照图3解释使用上面控制器的光敏器件系统驱动控制方法中这个实施例的操作。
图3是根据实施例采用最优灵敏度直到读出对象图像的操作的流程图。适当地参照图1和图2示出的光敏器件系统装置描述这个操作。
在图3的S11(预读出步骤)，主控制器123在对象图像正常读出操作之前开始预读出操作。主控制器123经过数据控制器122控制设置图像读出灵敏度用于灵敏度设置寄存器127的预读出操作，并且预读出对象图像。类似于正常的图像读出操作，通过执行一系列的处理完成预读出操作复位操作(光积累操作(预充电操作(读出操作。
对于例如对象图像的相应行的预读出操作的图像读出灵敏度逐步地改变，以便以若干种不同的灵敏度读出一个对象图像。相应行的图像读出灵敏度以例如对应于行数的表格形式(行数与图像读出灵敏度对应表)存储在RAM 130中。以后将描述图像读出灵敏度的详细设置方法。
在图3的S12(图像数据转换步骤)，通过预读出操作读出的图像数据经过放大器116和A/D转换器117转换为数字信号，并且作为相应于对象图像的明亮/黑暗图形的亮度数据输入到数据比较器124。在这种情况下，通过例如将白色和黑色之间对象图像的级别分为256个等级获得的256个灰度级来表达亮度数据。
在图3的S13(计算每行像素之间绝对差值的步骤)，根据输入到数据比较器124的亮度数据比较每行相邻像素的幅值。根据幅值关系，加法器125顺序地计算每行像素之间亮度数据差值的绝对值(以后称为绝对差值)。对于每行、所有行或预定的行范围的所有像素或预定的列范围执行绝对差值的计算。
在图3的S14(提取每行的代表差值的步骤)，每行计算的绝对差值再次输入到数据比较器124以提取每行绝对差值的最大值(称为代表差值)。代表差值经过数据选择器126存储在RAM130中。对于经过绝对差值计算的每行和所有行或预定的行范围的所有像素或预定列的范围执行代表差值的提取处理。
在图3的S15(提取具有最大代表差值的行数的步骤)，存储在RAM130的相应行的代表差值经过数据选择器126读出，并且再次输入到数据比较器124以在相应行的代表差值中提取最大的代表差值(称为最大差值)。提取具有最大差值的行数。
在图3的S16(灵敏度参考/提取步骤)，存储在RAM 130的行数与图像读出灵敏度对应表根据具有最大差值的行数、图像读出灵敏度来查找，即提取为这个行设置的电荷积累周期。
在图3的S17(提取的灵敏度设置步骤)，主控制器123经过数据控制器122重新写入灵敏度设置寄存器127以设置提取的图像读出灵敏度。
在图3的S18(对象图像读出步骤)，以灵敏度设置寄存器127中设置的提取图像读出灵敏度执行对象图像的正常读出操作。
参照附图描述对于手印读出设备使用上述控制器应用光敏器件系统驱动控制方法的例子。
图4是在预读出操作中对象图像被读出同时对于相应行的图像读出灵敏度逐步改变时的图像数据例子的示意图。如下面描述的，即使手指作为一个对象偏离中心地接触到手印读出表面时本发明也能完成精确的读出灵敏度设置，外围背景图像被同时作为一个读出图像读出。如图4所示，现在描述图4中手指作为对象偏左地接触到手印读出表面的情况。在图4中，PNA表示读出手印图像；PNB表示不同于读出图像数据中手印图像的图像，即由手印的边沿或背景的干扰光的阴影产生的图像部分(称为背景图形)。图5A是通过图4示出的预读出操作获得的图像数据中特定行上相应像素亮度数据变化的图形，图5B是图5A示出的图像数据中相邻像素之间绝对差值变化的图形。图6是对于相应行的相应行绝对差值的最大值(代表差值)变化之间的关系，以及相应行亮度数据的动态范围(最大和最小亮度数据之间的差值)变化的图形。图7A是说明通过预读出操作获得的每行亮度数据的代表差值的表格，图7B是说明行数与图像读出灵敏度对应表以便表示它们的对应关系的表格。
假设相应于构造光敏器件阵列100的光敏器件布局，例如采用相应于256行(196列的像素布局的矩阵单位读出手印的图像数据。亮度数据值越大表示图像越明亮，亮度数据值越小表示图像越黑暗。
在预读出操作中，对于较大的行数(图4中向上)，图像读出灵敏度设置较高(电荷积累周期被设置较长)，对于较小的行数(图4中向下)，图像读出灵敏度设置较低(电荷积累周期设置较短)。在图4中，随着行数增加，手印图像PNA的峰/谷(ridge/valley)图形在外部光的影响下变得较弱，并且最后作为几乎看不见光亮的图像读出。另一方面，随着行数减少，手印图像PNA的峰/谷图形变得较黑，并且最后作为几乎看不见黑色的图像读出。
如上所述，手指作为对象如图4偏左地接触到手印读出表面。假设手印读出设备用在相对明亮的环境中，背景图形PNB比对象的手印图像亮许多。
例如，在图4示出的图像数据中，第79行的所有像素(从第1到第196列)的亮度数据被提取并且如图5A画出。在手印图像PNA的峰/谷图形被相当清楚地读出的几乎第1到第95列的范围中，亮度数据表现出几乎中间值(大约100)，并且列(即像素)之间的亮度数据相当大地改变。相反，在没有放置手指并且背景图形PNB被读出的几乎第96到196列的范围中，亮度数据在几乎所有列中表现出非常大的值(大约220到230)，并且列(像素)之间的亮度数据没有很大的改变。
通过图5A示出的亮度数据分布，计算出相邻像素之间的绝对差值并且如图5B所示画出。在手印图像PNA的峰/谷图形被相对清楚地读出的几乎第1到第95列的范围中，几乎所有列的绝对差值表现为较大的值(大约30)。在背景图形PNB被读出的几乎第96到196列的范围中，几乎所有列绝对差值表现为较小的值(大约10)。即在手指放置的读出图像数据的范围中，相应于手印图像PNA的峰/谷图形的明亮/黑暗图形是清楚的，这样相邻像素之间亮度数据的变化是较大的。在没有放置手指并且背景图形PNB的区域相应于手指和背景之间边界的背景中，要被检测的对象与光敏器件隔开。这样，图像在焦点以外，明亮/黑暗图形是不清楚的，相邻像素之间亮度数据的变化是小的。
对于预定的行/列范围(例如第64到第191行和第67到130列的范围)执行从图5B示出的相邻像素之间的绝对差值提取最大绝对差值(代表差值)的处理。提取的代表差值如图6的实线A表示的画出。
图6的虚线B表示当手指正常地接触到手印读出表面的中心时相同的行/列范围内相应行亮度数据的动态范围分布。这种分布在第90到第95行附近表现出最大峰值。图6的点划线C表示当手指类似地正常放置时对于相应行在较宽列范围(例如以后描述的第1到第196列的区域)的亮度数据动态范围分布。这种分布在第71到第75行附近表现出最大峰值。
这些分布如下面描述的，通过C(点划线)表示的动态范围分布包含在手印图像附近的背景图形PNB的图像数据，并且不同于只有手印图像的动态范围分布。通过B(虚线)表示的动态范围分布不包含任何背景的图像数据，表示只有手印图像的动态范围分布。根据这些分布，通过图6的A(实线)表示的相应行代表差值的分布表现出峰值位置非常接近于通过B(虚线)表示的动态范围分布的峰值位置。如以后描述的，在不包含背景图形的任何图像数据的手印图像中亮度数据动态范围最大的行被确定为具有最优图像读出灵敏度的行。这样，根据相应行相邻像素之间亮度数据中相应行代表差值的分布可以估计图像数据的对比度，其中峰值位置相应于亮度数据动态范围的峰值位置。换句话说，具有相应行代表差值中最大代表差值(最大差值)的行(例如第91行)的图像数据可以确定为具有相应于手印峰/谷图形的精确对比度的图像数据。这个行可以确定为具有最优图像读出灵敏度。
RAM 130存储图7B示出的行数与图像读出灵敏度对应表，并且存储图像读出灵敏度，即相应行的电荷积累周期T1到T256。
对于具有最大差值的第91行查看这个行数与图像读出灵敏度对应表以获得图像读出灵敏度，即对于第91行设置的电荷积累周期T91作为最优值。
为了准确地读出图像，可以在获得电荷积累周期T91期间读出对象(手印)的图像。
与另一种方法相比，参照附图更详细地解释根据这个实施例光敏器件系统的灵敏度设置方法的效果。
通过示范的情况解释设置光敏器件最优灵敏度的另一种方法，其中执行对于相应行逐步改变图像读出灵敏度的预读出操作并且以若干个不同图像读出灵敏度读出一个对象图像，根据获得的图像数据提取具有亮度数据最大动态范围的行，对于提取行设置的图像读出灵敏度被确定为最优值。另外，将描述根据这个实施例光敏器件系统的灵敏度调节方法的操作效果的不同。
现在解释当手指正常地几乎接触到手印读出表面的中心时在预读出操作中相应行亮度数据动态范围的分布特性。图8是当对象图像被读出同时在预读出操作中对于相应行逐步改变图像读出灵敏度的图像数据例子的示意图。图9A和9B分别是通过图8的预读出操作获得的图像数据灵敏度确定区域的示意图。当手指正常地几乎接触到手印读出表面的中心时，对于相应行用于提取以不同的灵敏度提前读出图像数据中具有最优灵敏度的行的灵敏度确定范围不包含任何周围背景图像，并且最好限制于具有相应于手印图像PNA的峰/谷图形的精确对比度区域。由此，如图9A所示，灵敏度确定范围设置于例如第64到第191行和第67到第130列的行/列范围，或者如图9B所示，设置到例如第64到第191行的行范围。
图10是图9A示出的灵敏度确定范围内特定行亮度数据变化的图形。图11是相同灵敏度确定范围内相应行亮度数据的动态范围分布的图形。如图10所示，在行范围内的第191行(通过图10的虚线表示)和第160行(通过图10的细线表示)，灵敏度被设置较高，亮度数据收敛到一个较大值(大约220到225)并且几乎不提供任何信息(明亮/黑暗图形)作为图像数据。在第96行(通过图10的粗线表示)，亮度数据不收敛到所有列的上限值或下限值，并且表现出相应于图像数据的明亮/黑暗图形相对大的垂直变化。在第64行(通过图10的点划线表示)，灵敏度设置较低，使得亮度数据收敛到一个较小值(大约35)并且几乎不提供任何信息作为图像数据。
根据图10示出的每行亮度数据分布的变化提取最大值和最小值，并且由差值计算动态范围。对于各行画出计算的动态范围获得如图11所示的分布。在图11中，可以考虑在具有较大动态范围的行中(几乎是第90到第95行)清楚地读出图像数据(明亮/黑暗图形)。由此，可以确定几乎第90到第95行的亮度数据是具有相应于手印的峰/谷图形精确对比度的图像数据，并且设置最优的图像读出灵敏度。通过在预读出操作中参照对于每行设置的图像读出灵敏度，对于几乎第90到第95行设置的图像读出灵敏度被确定为最优值。
现在描述采用这种图像读出灵敏度设置方法，手指在任何方向上偏离地接触手印读出表面的情况。
图12A和12B是当手指作为对象偏左地接触到图12A和12B的手印读出表面时，对于图4的对象数据，应用如图9A和9B相同的灵敏度确定区域的示意图，并且读出的图像变得与图4相同。
如图12A和12B所示，当手指偏左地接触到手印读出表面时，通过采用预定灵敏度变化的预读出操作获得的图像数据除了经过灵敏度设置的原始手印图像PNA的峰/谷图形以外还包含背景图形PNB。即使灵敏度确定范围限于预定的范围(例如，图12A的第64到第191行和第67到130列的行/列范围或图12B的第64到第191行的行范围)，灵敏度确定范围内的图像数据除了手印图像PNA的峰/谷图形以外还包含背景图形PNB。
现在解释当手指偏离地接触到手印读出表面时这个图像读出灵敏度设置方法的问题。
图13是图12A示出的灵敏度确定范围内特定行的亮度数据变化的图形。图14是类似规定的灵敏度确定范围内相应行的亮度数据动态范围分布的图形。
如图13所示，在手印的峰/谷图形被相对清楚地读出的几乎第67到第95列的范围中，几乎所有列的第79行的亮度数据表现为几乎中间值(大约100)，并且像素(即列)之间的亮度数据相当大地变化。相反，在没有放置手指并且背景被读出的几乎第96到第130列的范围，几乎所有列的亮度数据表现出非常高的值(大约210到220)，像素(列)之间的亮度数据几乎不变化。
由这个亮度数据分布提取出最大值和最小值，并且计算相应于差值的动态范围。这时，由手印的峰/谷图形提取最小值，但由不相关于手印图像的背景图形提取最大值。如上所述，背景图形的亮度数据值常常大于手印图像的峰/谷图形的亮度数据值。为此，不管手印图像如何，亮度数据的动态范围计算为一个较大值。画出亮度数据的动态范围以获得例如通过图14的实线A表示的结果。图14的虚线B表示当手指正常地几乎接触到手印读出表面的中心时图11示出的亮度数据的动态范围分布。虚线B最大的行相应于具有最优图像读出灵敏度的行。
相反，当手指偏左地接触到手印读出表面时亮度数据动态范围的最大值根据背景图形确定而不用考虑手印图像。这样，具有最大动态范围的行不同于当手指正常地几乎接触到手印读出表面的中心时获得的由B(虚线)表示的具有亮度数据最大动态范围的行。即使当手指偏左地接触到手印读出表面时根据亮度数据动态范围的数据提取具有最大动态范围的行，但是提取的行可能不相应于最优图像读出灵敏度。
更准确地说，如图9A或图12A所示，如果灵敏度确定范围设置较窄，为了使用清楚地读出手印的峰/谷图形完成灵敏度设置处理，当手指的位置偏离地接触到手印读出表面或者手指的宽度变化时，正常的灵敏度设置处理可能失败。另外，手指不能接触到灵敏度确定范围。这降低了灵敏度设置处理的效果。
如图9B或图12B所示，即使灵敏度确定范围仅限于行的范围并且列的范围被设置较宽，相应行的动态范围分布也受背景图形而不是手印图像影响，如上所述，变化趋势与仅通过手印的峰/谷图形获得的正常动态范围分布有很大不同。甚至在设置这个灵敏度确定范围时，最优图像读出灵敏度不能由具有最大动态范围的行确定。
相反，即使当手指位置偏离正常的位置或图像数据没有限制在灵敏度确定范围内读出时，本发明光敏器件系统的灵敏度设置方法也能够准确地提取具有最优灵敏度的行，因为对于用作每行相邻像素之间亮度数据的绝对差值中最大绝对差值的代表差值的相应行分布表现出的变化趋势非常接近于当手指正常放置时获得的相应行亮度数据的动态范围分布。因此，可以确定最优的光积累周期。
根据灵敏度调节设备和这个实施例的方法，对象图像被预读出同时图像读出灵敏度对于相应行逐步地改变。根据相应行亮度数据的代表差值的分布趋势可以很容易地并且适当地确定最优图像读出状态的行。对于这个行设置的图像读出灵敏度可以设置为最优灵敏度。因此，灵敏度调节处理可以通过简单的方法唯一地设置而不用考虑手印读出表面上手指的位置或灵敏度确定范围。
在正常的图像读出操作之前可以使用实际的对象执行灵敏度调节处理。即使当对象的亮度根据环境光的变化改变时，最优图像读出灵敏度也可以根据环境光的变化设置，并且不需要安装用于检测环境光的专用电路。
即使光敏器件的特性变化，通过光敏器件得到的图像数据获得最优灵敏度的处理可以完成以大大地抑制特性变化的影响。这可以大大地抑制特性变化的影响。另外，因为可以使用实际的对象设置最优灵敏度，所以灵敏度调节处理可以容易地执行而不用在灵敏度调节处理时准备任何标准样本。
在这个实施例中，亮度数据的行/列范围限于第64到第191行和第67到第130列。然而，如上所述，本发明不限于这一点，它能够不限制在灵敏度确定范围内应用。
当亮度数据绝对差值的计算处理仅对于灵敏度确定范围中设置的行/列范围内特定的行提前完成时，要被处理的数据数量可以减少以简化处理并且缩短灵敏度调节处理所需的时间，操作能够快速地转移到对象图像的正常读出操作。
参照附图描述可应用于上述实施例的预读出操作的图像读出灵敏度(电荷积累周期)设置方法。通过适当地参照图1、图2和图18A示出的光敏器件系统的装置解释这种方法。
图15A到15J示出图像读出灵敏度(电荷积累周期)设置方法的第一实施例的时序图。根据这个实施例的图像读出灵敏度设置方法，如图15A到15D所示，复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn-1、(Tn同时应用于在行方向连接到双选通光敏器件10的上选通端子TG的相应上选通线路101，因此同时开始复位周期Treset，并且启动相应行的双选通光敏器件10。
复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn-1、(Tn同时在复位周期Treset结束时下降。然后，在所有行的双选通光敏器件10的电荷积累周期T1、T2、…Tn-1、Tn同时开始，根据从它们的上选通电极一侧进入相应行的双选通光敏器件10的光通量产生电荷(空穴)并且在通道区域积累。
如图15E到15I所示，通过用于相应行的预定延迟时间Tdelay将预充电脉冲(pg和读出脉冲(B1、(B2、…、(Bn用于逐步改变对于相应行设置的电荷积累周期T1、T2、…、Tn-1、Tn。在这种情况下，延迟时间Tdelay等于或大于复位周期Treset、预充电时间Tprch和读出时间Tread的总时间。
因此，对于构造对象图像的相应行采用读出灵敏度差值所读出的图像数据可以通过如上面实施例中描述、在灵敏度设置处理之前完成的预读出操作中对象图像的一个读出操作来获得。
图16A到图16J示出图像读出灵敏度(电荷积累周期)设置方法的第二实施例的时序图。
根据这个实施例的图像读出灵敏度设置方法，如图16A到16D所示，复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn-1、(Tn以预定的延迟时间Tdelay的时间间隔顺序地应用于行方向上连接到双选通光敏器件10的上选通端子TG的相应上选通线路101，因此开始复位周期Treset，并且初始化相应行的双选通光敏器件10。
复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn-1、(Tn在复位周期Treset结束时下降。然后，电荷积累周期TA1、TA2、…、TAn-1、TAn顺序开始，根据从它们的上选通电极一侧进入相应行双选通光敏器件10的光通量产生电荷(空穴)并且在通道区域积累。
如图16E到16I所示，在最后的复位脉冲(Tn下降之后，通过用于相应行的预定延迟时间Tdelay将预充电脉冲(pg和读出脉冲(Bn、(Bn-1、…、(B2、(B1用于逐步改变对于相应行设置的电荷积累周期TA1、TA2、…、TAn-1、TAn。在这种情况下，延迟时间Tdelay等于或大于复位周期Treset、预充电时间Tprch和读出时间Tread的总时间。
通过这个预读出操作，对于相应行设置的充电积累周期TA1、TA2、…、TAn-1、TAn以预定延迟时间Tdelay两倍的时间间隔增加，这样，以一些行或许多行灵敏度调节宽度设置的读出灵敏度读出的图像数据可以通过一帧的读操作来获得。
根据本发明应用于灵敏度设置处理的图像读出灵敏度(电荷积累周期)设置方法不限于上面的实施例。直到对象图像的图像数据以不同的读出灵敏度获得为止，例如以现有技术描述的一系列处理复位操作(电荷积累操作(预充电操作(读出操作可以采用不同的读出灵敏度重复若干次，因此获得不同读出灵敏度的图像数据。另一方面，还可以使用任何其他的方法。
现在描述应用于双选通光敏器件10的上选通TG和下选通BG的信号的有效电压。
如图15A到15H、图16A到16H以及图20A到20C可以看出，上选通TG接收高电平信号电压Vtgh作为仅用于非常短时间(Treset)的复位脉冲，以及低电平信号电压Vtgl用于预读出操作和图像读出操作中剩余的相对长的周期。在预读出操作和图像读出周期中，应用于上选通TG的有效电压大大地移动到低电平一侧。因为对于图像读出操作设置的最优电荷积累周期被改变，并且如果需要，根据环境照度或诸如此类的东西设置，所以施加到上选通TG的有效电压不可避免地改变。
在预读出操作和图像读出操作中，下选通BG接收仅用于非常短时间(Tread)的高电平信号电压Vbgh，以及用于剩余的相对长周期的低电平信号电压Vbgl。在预读出和图像读出周期中，施加到下选通BG的有效电压也大大地移动到低电平一侧。因为对于图像读出操作设置的最优电荷积累周期被改变，并且如果需要，根据环境照度或诸如此类的东西设置，所以施加到下选通BG的有效电压不可避免地改变。
如果这样一个移动到特定极性电压的电压值保持施加于选通电极，选通电极捕获空穴以降低双选通光敏器件的部件特性并且改变灵敏度特性。
为了防止这一点，在预读出和图像读出周期之后，设置用于校正施加到上选通TG和下选通BG的有效电压的有效电压调节周期。在有效电压调节周期期间，例如，施加了对于根据双选通光敏器件的灵敏度特性设置在上选通一侧有效电压的最优值Vte用于设置施加到上选通TG的有效电压、以及对于下选通一侧上有效电压的最优值Vbe施加到下选通TG的有效电压的预定校正信号。这可能抑制光敏器件部件特性的降低引起的灵敏度特性变化，可能改进光敏器件系统的可靠性。
参照图17A到17H描述，如上所述，在预读出和图像读出周期之后设置有效电压调节周期时根据本发明光敏器件系统的驱动控制方法。
图17A到17H示出预读出和图像读出周期之后设置有效电压调节周期时的实施例时序图。
作为在预读出周期期间的驱动控制方法，应用了上述图16A到16H的驱动控制方法。相同的标号表示相同的部件，这里省略了它的描述。复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn是脉冲信号，它的高电平和低电平分别是信号电压Vtgh和Vtgl。读出脉冲(B1、(B2、…、(Bn是脉冲信号，它的高电平和低电平分别是信号电压Vbgh和Vbgl。作为预读出周期的驱动控制方法，可以应用图1SA到15H示出的操作。本发明不限于这些方法。
在图像读出周期期间的驱动控制方法基于图20A到20D示出的常规的光敏器件系统驱动控制方法。为了缩短操作时间，通过定时叠加相应行的电荷积累周期来驱动光敏器件以便不叠加复位、预充电和读出脉冲。即如图17A到17C所示，复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn顺序地施加到行方向上连接到双选通光敏器件10的上选通端子TG的相应的上选通线路101，因此开始了复位周期Treset，并且初始化相应行的双选通光敏器件10。类似于上述的预读出操作，复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn是脉冲信号，它的高电平和低电平分别是信号电压Vtgh和Vtgl。除了定时施加高电平Vtgh的复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn以外，施加低电平信号电压Vtgl。
复位脉冲(T1、(T2、…、(Tn在复位周期Treset结束时下降。然后，根据预读出操作，对于相应行通过上面实施例获得的最优光积累周期Ta顺序地开始，根据从它们的上选通电极一侧进入双选通光敏器件10的光通量产生电荷(空穴)并且在通道区域积累。如图17G所示，施加预充电信号(pg以开始预充电周期Tprch以及施加预充电电压Vprch到数据线103以使得双选通光敏器件10的漏极保持预定电压的预充电操作在光积累周期Ta期间完成。如图17D到17F所示，读出脉冲(B1、(B2、…、(Bn以行为单位顺序地施加到双选通光敏器件10的下选通线路102，这时最优光积累周期Ta和预充电周期Tprch结束。然后，如图17H所示，读出周期Tread开始，相应于双选通光敏器件10积累电荷的电压变化VD经过数据线103从输出电路部分113读出。类似于上述的预读出操作，读出脉冲(B1、(B2、…、(Bn是脉冲信号，它的高电平和低电平分别为信号电压Vbgh和Vbgl。直到高电平Vbgh的读出脉冲(B1、(B2、…、(Bn应用时，已经施加了低电平信号电压Vbgl。
在对于所有的行完成图像读出操作之后，调节在预读出和图像读出周期应用于每个选通电极的信号的有效电压漂移并且优化有效电压的有效电压调节操作在有效电压调节周期执行。更准确地说，如图17A到17C所示，每个行的上选通线路101接收具有高电平周期(Ttph)和低电平周期(Ttpl)的校正信号，以便获得能够调节应用于上选通线路101的信号电压的有效电压的预定有效电压，即响应预读出和图像读出周期的复位脉冲的双选通光敏器件10的上选通端子TG根据双选通光敏器件10的灵敏度特性对于最优值Vte提前设置。
类似地，每行的下选通线路102接收具有高电平周期(Tbph)和低电平周期(Tbpla和Tbplb)的校正信号，以便获得能够调节应用于下选通线路102的信号电压的有效电压的预定有效电压，即响应于读出脉冲的双选通光敏器件10的下选通端子BG根据双选通光敏器件10的灵敏度特性对于最优值Vbe提前设置。
因此，应用于光敏器件部件的上选通TG和下选通BG的电压有效值可以设置为最优值以抑制由光敏器件的部件特性降低引起的灵敏度特性变化，并且改进光敏器件系统的可靠性。
权利要求
1.光敏器件系统包括由二维排列的若干个光敏器件(10)构成的光敏器件阵列(100)；图像读出装置，用于通过所述光敏器件阵列(100)以预定的图像读出灵敏度用于读出相应于若干个光敏器件的像素组成的对象图像，其特征在于还包括预读出装置，用于在图像读出操作之前读出对象图像同时以若干个级改变所述光敏器件阵列(100)的图像读出灵敏度；读出灵敏度提取装置，用于在由所述预读出装置读出的对象图像的图像图形有关的预定测量数值中，提取在相邻像素之间的绝对差值中具有最大绝对差值的图像读出灵敏度；以及读出灵敏度设置装置，用于设置由所述读出灵敏度提取装置提取的图像读出灵敏度到读出所述图像读出装置的读出灵敏度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于通过对于所述光敏器件阵列相应行逐步地设置不同的图像读出灵敏度并且读出对象图像来执行所述预读出装置的预读出操作。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于在所述读出灵敏度提取装置中的预定测量数值是相应于预读出操作读出的对象图像的图像图形的亮度数据。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光敏器件阵列(100)的图像读出灵敏度通过调节光敏器件的电荷积累周期来设置。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述读出灵敏度提取装置包括绝对差值计算装置，用于对每个图像读出灵敏度以相关于所述预读出装置读出的对象图像的图像图形的预定测量数值，计算相邻像素之间的绝对差值；代表差值提取装置，用于对每个图像读出灵敏度从所述绝对差值计算装置计算的绝对差值中提取最大绝对差值作为代表差值；以及最优读出灵敏度提取装置，用于从相应于通过所述代表差值提取装置提取的相应图像读出灵敏度的代表差值中提取最大代表差值的图像读出灵敏度。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述绝对差值计算装置计算通过所述预读出装置在对象图像的预定行和列范围中预定测量数值的绝对差值。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括在所述光敏器件阵列(100)的所述图像读出装置和所述预读出装置中，有效电压调节装置，用于施加给每个光敏器件(10)一个校正信号，来设置来自所述光敏器件(10)的信号电压的有效电压为最优值，这使所述光敏器件(10)的门限值电压变化最小。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于每个光敏器件(10)具有带通道区域的半导体层(11)、经过通道区域在半导体层上形成的漏极(13)和源极(12)、至少在通道区域上面和下面形成的上选通(漏)电极(21)和下选通(漏)电极(22)、以及分别在通道区域和上选通电极和下选通电极之间形成的绝缘薄膜(15，16)，上选通电极(21)或下选通电极(22)用作光辐射一侧(光辐射端)，以及相应于从光辐射一侧辐射的光通量的电荷在通道区域中产生和积累。
9.一种用于由二维排列的若干个光敏器件(10)构成的光敏器件阵列(100)的光敏器件系统的驱动控制方法，其特征在于包括下面的步骤执行读出相应于若干个光敏器件(10)的像素组成的对象图像的预读出操作，同时以若干个级改变光敏器件阵列(100)的图像读出灵敏度；对于在预读出操作中读出的对象图像的图像图形有关的预定测量数值中的每个图像读出灵敏度，从相邻像素之间绝对差值中提取具有最大绝对差值的图像读出灵敏度；设置提取的图像读出灵敏度作为对象图像读出操作中的读出灵敏度；以及以设置的读出灵敏度执行读出对象图像的图像读出操作。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于执行预读出操作的步骤包括通过对于光敏器件阵列(100)的相应行逐步地设置不同的图像读出灵敏度和读出对象图像来执行预读出操作。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于预定测量数值是相应于通过预读出操作读出的对象图像的图像图形的亮度数据。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于光敏器件阵列(100)的图像读出灵敏度通过调节光敏器件(10)的电荷积累周期来设置。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于提取图像读出灵敏度的步骤包括下面的子步骤对于每个图像读出灵敏度，在与通过预读出操作读出的对象图像的图像图形有关的预定测量数值中，计算相邻像素之间的绝对差值；对于每个图像读出灵敏度，从计算的绝对差值中提取最大绝对差值作为代表差值；以及对于相应的图像读出灵敏度，从提取的代表差值中提取相应于最大代表差值的图像读出灵敏度。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于计算绝对差值的子步骤包括计算通过预读出操作读出的对象图像预定的行和列范围中预定的测量数值的绝对差值。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括步骤在光敏器件阵列(100)的图像读出操作和预读出操作中，施加到每个光敏器件(10)一个校正信号用于设置来自光敏器件(10)的信号电压的有效电压为最优值，该值使光敏器件(10)的门限值电压变化最小。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于每个光敏器件(10)具有带通道区域的半导体层(11)、经过通道区域在半导体层上形成的源极(12)和漏极(13)、至少在通道区域的上面和下面形成的上选通电极(21)和下选通电极(22)、以及分别在通道区域和上选通电极和下选通电极之间形成的绝缘薄膜(15，16)，上选通电极(21)或下选通电极(22)用作光辐射一侧，以及相应于从光辐射一侧辐射的光通量的电荷在通道区域中产生和积累。
全文摘要
本发明通过在对象图像的正常读出操作开始之前立刻完成预读出操作同时以若干个级改变图像读出灵敏度来读出对象的图像数据,计算读出图像数据的亮度数据的相邻像素之间的绝对差值,以及将图像读出灵敏度设置作为最优读出灵敏度,该图像读出灵敏度具有由二维排列的若干个光敏器件、用于提供驱动信号到光敏器件的驱动器电路、用于控制对象图像的读出操作和灵敏度设置的控制器电路构成的光敏器件阵列的光敏器件系统中计算的绝对差值之中的最大绝对差值。
文档编号H04N5/369GK1337119SQ00802655
公开日2002年2月20日 申请日期2000年10月19日 优先权日1999年11月10日
发明者中村善亮 申请人:卡西欧计算机株式会计