图像传感器的信号采集方法和信号采集电路与流程

本发明涉及图像传感器技术领域，具体地涉及一种图像传感器的信号采集方法和信号采集电路。

背景技术：

图像传感器(imagesensor)是一种利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号的传感器件。

以光学指纹传感器为例，通常由像素阵列、控制线(也可称为驱动线)、扫描线(也可称为信号读出线)等构成。其中，像素阵列中的每一像素均具有光电器件，以实现光信号到电信号的转换。

现有应用于图像传感器的光电器件通常为光电二极管(photo-diode)，但是，由于光电二极管自身暗电流、图像传感器所处采集环境的环境光等多方因素的影响，在开始使用图像传感器进行信号采集之前，各像素上均会存在无用的电荷。因而，在实际进行信号采集之前，需要对图像传感器的各像素进行清空处理。

现有的信号采集方法在对像素进行清空操作时的处理逻辑有待改进。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种更高效的信号采集方法，以在缩短信号采集周期的同时，得到较优的清空效果。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像传感器的信号采集方法，所述图像传感器包括阵列排布的多个像素，每一所述像素包括一个光电二极管，所述信号采集方法包括：在每一信号采集周期内，对所述多个像素逐行进行信号采集，所述信号采集周期包括至少一个复位帧和至少一个清空帧，其中，在每一所述复位帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加正向偏压；在每一所述清空帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加反向偏压。

可选的，在同一所述信号采集周期内，不同的清空帧中，向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值相同或不同。

可选的，所述至少一个清空帧包括至少一个第一清空帧和至少一个第二清空帧，其中，在每一所述第一清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值，大于在每一所述第二清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值。

可选的，在同一所述信号采集周期内，所述至少一个第一清空帧在时序上位于所述至少一个第二清空帧之前。

可选的，在每一所述第一清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值，为在每一所述第二清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值的1至3倍。

可选的，所述信号采集周期还包括：信号读出帧，在所述信号读出帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加反向偏压。

可选的，在所述信号读出帧内，对所述多个像素逐行进行信号采集，并且存储采集到的每一所述光电二极管的信号值。

可选的，在所述信号读出帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值，不大于在所述清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值。

可选的，所述在每一信号采集周期内，对所述多个像素逐行进行信号采集包括：在每一所述信号采集周期内，丢弃在所述至少一个复位帧和至少一个清空帧内采集到的每一所述光电二极管的信号值。

可选的，每一所述光电二极管的一端分别连接一开关器件，每一所述光电二极管的另一端共同连接公共电极，向所述光电二极管施加正向偏压是指控制所述公共电极的电位为正电位，向所述光电二极管施加反向偏压是指控制所述公共电极的电位为负电位。

本发明实施例还提供一种图像传感器的信号采集电路，所述图像传感器包括：阵列排布的多个像素，以及多条数据线和多条扫描线，其中，在每列所述像素中，每一所述像素通过一像素开关连接同一条所述数据线，在每行所述像素中，每一所述像素所连接的所述像素开关连接同一条所述扫描线；所述信号采集电路包括：扫描线控制单元，所述扫描线控制单元与所述多条扫描线耦合，在每一信号采集周期内，所述扫描线控制单元控制所述多个像素逐行开启；信号读出单元，所述信号读出单元与所述多条数据线耦合，在每一信号采集周期内，所述信号读出单元通过所述数据线读取被开启的所述像素的电信号；所述信号采集电路还包括：偏压控制单元，所述偏压控制单元与所述公共电极耦合，在每一所述信号采集周期内，所述偏压控制单元适于采用上述信号采集方法向被采集的每一所述像素的光电二极管施加正向偏压或反向偏压。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例提供一种图像传感器的信号采集方法，所述图像传感器包括阵列排布的多个像素，每一所述像素包括一个光电二极管，所述信号采集方法包括：在每一信号采集周期内，对所述多个像素逐行进行信号采集，所述信号采集周期包括至少一个复位帧和至少一个清空帧，其中，在每一所述复位帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加正向偏压；在每一所述清空帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加反向偏压。

由此，能够在缩短信号采集周期的同时，确保较优的清空效果，并消除环境光对成像的影响。具体地，在所述复位帧内，可以等效于用强光照射各光电二极管，从而通过复位帧将各光电二极管的初始状态调节一致，消除历史光照、环境光以及各光电二极管自身的器件差异对残留电荷的影响。进一步，通过清空帧确保各光电二极管在复位帧内产生的电荷能够被有效清空。由此，通过复位帧和清空帧的配合，能够提高所述图像传感器的图像采集精准度，确保每次采集到的图像的一致性。

进一步，所述至少一个清空帧包括至少一个第一清空帧和至少一个第二清空帧，其中，在每一所述第一清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值，大于在每一所述第二清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值。由此，基于第一清空帧可以加快清空速度，缩短信号采集周期，提高图像传感器的成像速度。进一步，基于第二清空帧可以更好地确保光电二极管内的残留电荷被释放干净。

附图说明

图1是现有技术的一种图像传感器的信号采集电路的示意图；

图2是图1中像素阵列的示意图；

图3显示了图2中信号采集电路采用现有信号采集方法时对应的时序图；

图4是现有技术的一种图像传感器的信号采集方法的时序图；

图5是本发明实施例的一种图像传感器的信号采集方法的流程图；

图6是采用图5所示信号采集方法时对应的时序图；

图7是采用图5所示信号采集方法时对应的另一种时序图；

图8是本发明实施例的一种图像传感器的信号采集电路的示意图。

具体实施方式

如背景技术所言，现有的信号采集方法在对像素进行清空操作时的处理逻辑有待改进。

具体而言，参考图1和图2，图像传感器的信号采集电路1可以包括像素阵列10、扫描线控制电路15和信号读出芯片16(readoutic，简称roic)。其中，所述像素阵列10中具有多条数据线11和多条扫描线12，数据线11和扫描线12限定出一个个阵列排布的网格，网格所在区域对应具有像素13。

进一步地，所述像素13包括至少一个像素开关131，以及至少一个感光器件132。其中，所述像素开关131通常为薄膜晶体管(thinfilmtransistor，简称tft)器件，感光器件132用于收集外部输入的光信号并转化为电信号，然后存储在对应的像素13中。图2中以每一像素13包含一个像素开关131和一个感光器件132为例进行展示。

图2中，所述感光器件132为光电二极管。所述光电二极管包括pin结非晶硅光电二极管，pn结非晶硅光电二极管，pin结低温多晶硅光电二极管，pn结低温多晶硅光电二极管，pin结有机物光电二极管，或pn结有机物光电二极管等。

具体地，所述扫描线12可以控制每一行的像素开关131的开启和关闭，所述数据线11连接每一列的像素开关131的漏极(或源极)；所述感光器件132的一端连接所述像素开关131的源极(或漏极)，所述感光器件132的另一端共同连接至一公共电极17。

在进行信号采集时，通过所述公共电极17向所述感光器件132施加反向偏压。

当所述像素开关131在耦合的扫描线12的控制下导通时，反向偏压状态下的所述感光器件132中的电信号可以传导到耦合的数据线11上，进而通过数据线11传输至信号读出芯片16实现信号采集。

进一步地，所述扫描线12由外围的驱动电路如扫描线控制电路15控制，来实现像素开关131的逐行开启，由所述信号读出芯片16读出每一列中被开启行的像素13的信号。

图3显示了图2中信号采集电路采用现有信号采集方法时对应的驱动时序图(驱动时序包括扫描线12的驱动时序和信号读出芯片16的驱动时序)，各扫描线12(图3示出中扫描线12c未在图2中示出)按图3所示的时序控制像素阵列10逐行导通。其中，扫描线12a的驱动时间在扫描线12b的驱动时间之前，扫描线12b的驱动时间在扫描线12c的驱动时间之前。而信号读出芯片16对应逐行进行信号采集。信号读出芯片16各通道连接到数据线11上，所以各数据线11的电位值由信号读出芯片16设定。图3中公共电极电位值即为图2中公共电极17上施加的电位值。各像素打开时，公共电极17的电位值和各数据线11的电位值之差就决定了施加在各光电二极管132的上偏压电压值。

如图2所示，一般应用中，光电二极管132的正极都连接到公共电极17，光电二极管132的负极分别连接到各像素开关131。当各行像素被打开时，当公共电极17的电位值高于各数据线11的电位值时，光电二极管132就被施加正电压，即处于正向偏压。当各行像素被打开时，当公共电极17的电位值低于各数据线11的电位值时,光电二极管132就被施加负电压，即处于反向偏压。

一般设计中，为了简化芯片设计，降低电路噪音，信号读出芯片16各输入通道的电位处于一个固定值，从而设置数据线11的电位处于一个固定值。所以就需要通过设定公共电极17的电位值来确定各像素中光电二极管132被施加的偏压值。即光电二极管132的偏压＝公共电极17电位值-数据线11的电位值。

在实际应用中，由于光电二极管的漏电(暗电流)，以及环境光的入射，在开始使用图像传感器进行图像采集时，各像素13(如感光器件132里和电极上)均会存在无用的电荷。因而，需要在每次采集信号前，对各像素13做清空处理。

具体地，现有信号采集方法的每一信号采集周期都包括：一个清空帧和一个信号读出帧。其中，清空帧和信号读出帧的时序完全一样，两者区别在于：在清空帧内，各像素13的信号读出后，数据不会保留，直接丢弃。由此，通过清空帧的逐行打开，把像素13的残留的信号读出，实现清空。

每一行像素13在清空帧和信号读出帧里被打开的时间的间隔，就是每一行像素13的曝光时间。可见，每行像素13的曝光时间的开始和结束点不同，但是时间长度是一样的。

本申请发明人经过分析发现，采用图1至图3示出的信号采集方法时，如果像素13内本身残留的信号较多，感光器件132处于饱和状态，图4以扫描线12a为例，需要连续多帧清空帧才能把扫描线12a耦合的那一行感光器件132中的电荷释放干净，然后再在信号读出帧内开始真正的采图操作。

由于在实际使用中，无法确定图像传感器所处环境的环境光的强弱。所以无法确定清空帧的具体帧数，也就无法确保各像素13内的信号能够被彻底清空。

若清空帧的帧数设置的偏少，就会出现像素13内残留信号不确定的现象。具体而言，如果环境光强，则感光器件132中的电荷就残留的多，如果环境光弱，则感光器件132中的电荷就残留的少。

更为严重的是，在开始采集之前，如果有些像素13被强光照射，信号残留很多，而有些像素13被弱光照射，信号残留比较少。这样的话，如果清空帧数设置的偏少，会出现各像素13残留信号不均匀的现象，会严重影响最后的图像效果。

因而，为确保无论环境光的强弱均可以将像素13内的信号清空干净，现有的一个信号采集周期内就需要采用尽量多的清空帧，比如50帧，这样才能确保任何时候(无论环境光强还是环境光弱)感光器件132中的电荷都能尽量清空，或者说残留的电荷都比很少。

由于采用了增加清空帧的帧数的清空方式，导致现有信号采集方法的采集周期整体偏长。

为了缩短信号采集周期，同时保证清空效果，本发明实施例提供图像传感器的信号采集方法，所述图像传感器包括阵列排布的多个像素，每一所述像素包括一个光电二极管，所述信号采集方法包括：在每一信号采集周期内，对所述多个像素逐行进行信号采集，所述信号采集周期包括至少一个复位帧和至少一个清空帧，其中，在每一所述复位帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加正向偏压；在每一所述清空帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加反向偏压。

由此，能够在缩短信号采集周期的同时，确保较优的清空效果，并消除环境光对成像的影响。具体地，在所述复位帧内，可以等效于用强光照射各光电二极管，从而通过复位帧将各光电二极管的初始状态调节一致(即信号比较一致)，消除历史光照、环境光以及各光电二极管自身的器件差异对残留电荷的影响。进一步，通过清空帧确保各光电二极管在复位帧内产生的电荷能够被有效清空(至少很大一部分电荷被清空)。由此，通过复位帧和清空帧的配合，能够提高所述图像传感器的图像采集精准度，确保每次采集到的图像的一致性。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图5是本发明实施例的一种图像传感器的信号采集方法的流程图，图6是采用图5所示信号采集方法时对应的时序图。

具体地，所述图像传感器可以包括阵列排布的多个像素，所述像素的具体结构可以参考图2中关于像素13的具体描述。

本实施例中，所述像素的感光器件为光电二极管。所述光电二极管包括pin结非晶硅光电二极管，pn结非晶硅光电二极管，pin结低温多晶硅光电二极管，pn结低温多晶硅光电二极管，pin结有机物光电二极管，或pn结有机物光电二极管等。

优选地，所述图像传感器可以为光学指纹传感器。

更为具体地，本实施例所述信号采集方法可以包括如下步骤：

步骤s101，在每一信号采集周期内，对所述多个像素逐行进行信号采集，所述信号采集周期可以包括至少一个复位帧和至少一个清空帧，其中，所述步骤s101可以包括：

步骤s1011，在每一所述复位帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加正向偏压；

步骤s1012，在每一所述清空帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加反向偏压。

进一步地，所述信号采集周期还可以包括：信号读出帧。

所述步骤s101还可以包括：

步骤s1013，在所述信号读出帧内，向被采集的每一所述像素的光电二极管施加反向偏压。

进一步地，对于每一条扫描线，每一所述信号采集周期内可以包括至少一个复位帧、至少一个清空帧和一个信号读出帧。

在一个实施例中，在所述步骤s1012中施加的反向偏压的绝对值，可以等于在所述步骤s1013中施加的反向偏压的绝对值。

作为一个变化例，在所述步骤s1012和步骤s1013中施加的反向偏压的绝对值也可以是不相同的。

在一个实施例中，所述步骤s101还可以包括：在每一所述信号采集周期内，保留在所述信号读出帧内采集到的每一所述光电二极管的信号值；丢弃在所述至少一个复位帧和至少一个清空帧内采集到的每一所述光电二极管的信号值。也即，所述步骤s1011和步骤s1012中采集到的信号将被丢弃，所述步骤s1013中采集到的信号将被存储。

在一个实施例中，结合图6和图2，以感光器件132为光电二极管为例，每一所述光电二极管的一端分别连接一开关器件(即图2示出的像素开关131)，每一所述光电二极管的另一端共同连接公共电极17。

进一步地，本实施例所述向所述光电二极管施加正向偏压是指：控制所述公共电极17的电位为正电位，也即，通过设置所述公共电极17的电位为电位值v1(v1>0，且v1>数据线的电位)，其中，数据线可以为图2所示数据线11，使得所述公共电极17的电位高于数据线11的电位，从而使得所述光电二极管的偏压为正偏压(正电压)。

进一步地，本实施例所述向所述光电二极管施加反向偏压是指：控制所述公共电极17的电位为负位，也即，通过设置所述公共电极17的电位为电位值v0(v0<0，且v0<数据线11的电位)，使得所述公共电极17的电位低于数据线11的电位，从而使得所述光电二极管的偏压为反偏压(负电压)。

由此，能够在缩短信号采集周期的同时，确保较优的清空效果，并消除环境光对成像的影响。具体地，在所述复位帧内，可以等效于用强光照射各光电二极管，从而通过复位帧将各光电二极管的初始状态调节一致，消除历史光照、环境光以及各光电二极管自身的器件差异对残留电荷的影响。进一步，通过清空帧确保各光电二极管在复位帧内产生的电荷能够被有效清空(至少大部分电荷被清空)。由此，通过复位帧和清空帧的配合，能够提高所述图像传感器的图像采集精准度，确保每次采集到的图像的一致性。

在一个实施例中，当所述清空帧的帧数为多个时，在同一所述信号采集周期内，不同的清空帧中，向所述光电二极管施加的反向偏压的电位值v0可以是相同的。优选地，每一所述清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v0-数据线电位|)，可以等于信号读出帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v0-数据线电位|)。

在本实施例的一个变化例中，当所述清空帧的帧数为多个时，在同一所述信号采集周期内，不同的清空帧中，向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值可以不相同。

具体地，参考图7，所述至少一个清空帧可以包括至少一个第一清空帧和至少一个第二清空帧，其中，在每一所述第一清空帧内设置所述公共电极17的电位为电位值v2(v2<数据线11的电位)，在每一所述第二清空帧内设置所述公共电极17的电位为电位值v0(v2<v0<数据线11的电位)。所以，在每一所述第一清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v2-数据线电位|)，大于在每一所述第二清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v0-数据线电位|)。

由此，通过在第一清空帧内施加比正常进行信号采集时施加的电压值更大的反向偏压，可以快速清空光电二极管在复位帧内产生的大量电荷，从而更进一步缩短信号采集周期，提高图像传感器的成像速度。

进一步，基于第二清空帧可以更好地确保光电二极管内的残留电荷被最大程度地释放。

进一步地，所述第一清空帧的帧数可以为多个，以在短时间内得到更好的清空效果。

在一个实施例中，在同一所述信号采集周期内，所述至少一个第一清空帧在时序上可以位于所述至少一个第二清空帧之前。

在一个实施例中，在每一所述第一清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v2-数据线电位|)，可以为在每一所述第二清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v0-数据线电位|)的1至3倍。因而，所述第一清空帧也可以成为强清空帧，所述第二清空帧可以类似于现有技术中的清空帧。

在一个实施例中，在所述信号读出帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值，不大于在所述清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值。

例如，在所述信号读出帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v0-数据线电位|)，可以等于在所述第二清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v0-数据线电位|)，小于在所述第一清空帧内向所述光电二极管施加的反向偏压的绝对值(|v2-数据线电位|)。

图8是本发明实施例的一种图像传感器的信号采集电路的示意图。

具体地，所述图像传感器的信号采集电路2中，所述图像传感器的具体结构可以参考图2中的相关描述。

具体地，所述图像传感器可以包括：阵列排布的多个像素13，以及多条数据线11和多条扫描线12，其中，在每列所述像素13中，每一所述像素13通过一像素开关131连接同一条所述数据线11，在每行所述像素13中，每一所述像素13所连接的所述像素开关131连接同一条所述扫描线12。

进一步地，所述信号采集电路2可以包括：扫描线控制单元25，所述扫描线控制单元25与所述多条扫描线12耦合，在每一信号采集周期内，所述扫描线控制单元25控制所述多个像素13逐行开启。

进一步地，所述信号采集电路2还可以包括信号读出单元26，所述信号读出单元26与所述多条数据线11耦合，在每一信号采集周期内，所述信号读出单元26通过所述数据线11读取被开启的所述像素13的信号。

优选地，所述信号读出单元26可以为信号读出芯片。

进一步地，所述信号采集电路2还可以包括：偏压控制单元27，所述偏压控制单元27与所述多个像素13中每一像素的光电二极管(即图2示出的感光器件132)耦合，在每一所述信号采集周期内，所述偏压控制单元27适于采用上述图5至图7所示信号采集方法向被采集的每一所述像素13的光电二极管施加正向偏压或反向偏压。

例如，在所述复位帧内，所述偏压控制单元27适于控制图2示出的公共电极17的电位改变至电位值v1。

又例如，在所述第一清空帧内，所述偏压控制单元27适于控制所述公共电极17的电位改变至电位值v2。

再例如，在所述第二清空帧和信号读出帧内，所述偏压控制单元27适于控制所述公共电极17的电位改变至电位值v0。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。