光检测单元、图像传感器、电子设备和检测方法与流程

本发明涉及图像感测领域，特别涉及光检测单元、图像传感器、

电子设备和检测方法。

背景技术：

有源像素传感器(activepixelsensor，简称aps，又称为“光检测单元”)用于将光图像转换为电信号，其广泛应用于数字照相机、具有照相机的移动电话、视觉系统等。可以将有源像素传感器划分为电荷耦合器件(charge-coupleddevice，简称ccd)型和互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，简称cmos)型。与ccd型aps相比，cmos型aps具有更低的制造成本、更高的处理速度和更低的功率消耗。

然而，在实际应用中发现，现有的图像传感器中的cmos型aps，其最终输出的电信号的输出摆幅有限，尤其是当光剂量较小时，cmos型aps输出电信号的电压摆幅很小、电流低，后级处理电路(图像处理器)难以采集到cmos型aps的有效输出，从而导致最终的光检测结果误差较大。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种光检测单元、图像传感器、电子设备和检测方法。

为实现上述目的，本公开实施例提供了一种光检测单元，包括：光电转换电路、重置电路、电压放大电路和电流放大电路；

所述光电转换电路的输出端、所述重置电路、所述电压放大电路的输入端连接于第一节点，所述电压放大电路的输出端与所述电流放大电路的输入端连接于第二节点；

所述重置电路，与重置控制信号线和重置电源端连接，响应所述重置控制信号线提供的提供重置控制信号的控制，用于将所述重置电源端提供的重置电压写入至所述第一节点；

所述光电转换电路，用于采集入射光，并根据采集到的入射光生成对应的电信号，以对所述第一节点进行充电；

所述电压放大电路，与开启控制信号线连接，响应所述开启控制信号线所提供的开启控制信号的控制，用于对所述第一节点处的电信号进行电压放大处理，并通过输出端将经过电压放大处理后的电信号写入至所述第二节点；

所述电流放大电路，与所述开启控制信号线连接，响应所述开启控制信号的控制，用于对所述第二节点处的电信号进行电流放大处理，并通过输出端将经过电流放大处理后的电信号写入至信号读取线。

在一些实施例中，所述电压放大电路包括：共源放大晶体管和第一开关晶体管；

所述共源放大晶体管的栅极与所述第一节点连接，所述共源放大晶体管的第一极与所述第二节点连接，所述共源放大晶体管的第二极与第一工作电源端连接；

所述第一开关晶体管的控制极与所述开启控制信号线连接，所述第一开关晶体管的第一极与偏置电流源连接，所述第一开关晶体管的第二极与所述共源放大晶体管的第一极连接。

在一些实施例中，所述电流放大电路包括：源跟随晶体管和第二开关晶体管；

所述源跟随晶体管的栅极与所述第二节点连接，所述源跟随晶体管的第一极与所述第二工作电源端连接，所述源跟随晶体管的第二极与第二开关晶体管的第一极连接；

所述第二开关晶体管的控制极与所述开启控制信号线连接，所述第二开关晶体管的第二极与所述信号读取线连接。

在一些实施例中，所述重置电路包括：第三开关晶体管；

所述第三开关晶体管的控制极与所述重置控制信号线连接，所述第三开关晶体管的第一极与所述重置电源端连接，所述第三开关晶体管的第二极与所述第一节点连接。

在一些实施例中，所述晶体管全部为n型晶体管；

或，所述晶体管全部为p型晶体管。

本公开实施例还提供了一种图像传感器，包括：如上述的光检测单元。

在一些实施例中，所述光检测单元的数量为多个，全部所述光检测单元在行方向、列方向排布呈阵列；

在所述阵列中，位于同一行的所述光检测单元连接同一开启控制信号线，位于不同行的所述光检测单元连接不同开启控制信号线；

位于同一列的所述光检测单元连接同一信号读取线，位于不同列的所述光检测单元连接不同信号读取线；

全部所述光检测单元连接同一重置控制信号线。

本公开实施例还提供了一种电子设备，包括：如上述的图像传感器。

本公开实施例还提供了一种光检测方法，所述光检测方法基于上述所述光检测单元，所述光检测方法包括：

在重置阶段，所述重置电路响应于所述重置控制信号的控制，将所述重置电压写入至所述第一节点；

在曝光采样阶段，所述光电转换电路采集入射光并根据采集到的入射光生成对应的电信号，以对所述第一节点进行充电；

在读取阶段，所述电压放大电路响应于所述开启控制信号的控制，对所述第一节点处的电信号进行电压放大处理，并通过输出端将经过电压放大处理后的电信号写入至所述第二节点；所述电流放大电路响应于所述开启控制信号的控制，对所述第二节点处的电信号进行电流放大处理，并通过输出端将经过电流放大处理后的电信号写入至信号读取线。

本公开实施例还提供了一种图像检测方法，其特征在于，所述图像检测方法基于上述的图像传感器，所述图像检测方法包括：

在重置阶段，所述图像传感器中的全部所述光检测单元内的所述重置电路同时响应于所述重置控制信号的控制，将所述重置电压写入至对应的所述第一节点；

在曝光采样阶段，所述图像传感器中的全部所述光检测单元内的所述光电转换电路同时采集入射光并根据采集到的入射光生成对应的电信号，以对对应的所述第一节点进行充电；

在检测阶段，包括与所述开启控制信号线一一对应的若干个读取阶段；在各读取阶段中，在与该读取阶段对应的开启控制信号线所连接的一行光检测单元内，各所述电压放大电路响应于所述开启控制信号的控制，对对应的所述第一节点处的电信号进行电压放大处理，并通过输出端将经过电压放大处理后的电信号写入至对应的所述第二节点；在与该读取阶段对应的开启控制信号线所连接的一行光检测单元内，各所述电流放大电路响应于所述开启控制信号的控制，对对应的所述第二节点处的电信号进行电流放大处理，并通过输出端将经过电流放大处理后的电信号写入至信号读取线。

附图说明

图1为本公开实施例一提供的一种光检测单元的电路结构示意图；

图2为本公开实施例二提供的一种光检测单元的电路结构示意图；

图3为图2所示光检测单元的工作时序图；

图4为本公开实施例二提供的另一种光检测单元的电路结构示意图；

图5为图4所示光检测单元的工作时序图；

图6为本公开实施例三提供的一种光检测方法的流程图；

图7为本公开实施例四提供的一种图像传感器的电路结构示意图；

图8为本公开实施例五提供的图像检测方法的流程图；

图9为图7所示图像传感器的一种工作时序图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的光检测单元、图像传感器、电子设备、光检测方法、图像检测方法进行详细描述。

图1为本公开实施例一提供的一种光检测单元的电路结构示意图，如图1所示，光检测单元包括：光电转换电路2、重置电路1、电压放大电路3和电流放大电路4；光电转换电路2具有一输出端，电压放大电路3和电流放大电路4均具备一输入端和一输出端，光电转换电路2的输出端、重置电路1、电压放大电路3的输入端连接于第一节点n1，电压放大电路3的输出端与电流放大电路4的输入端连接于第二节点n2。

其中，重置电路1与重置控制信号线rst和重置电源端连接，响应重置控制信号线rst提供的提供重置控制信号的控制，用于将重置电源端提供的重置电压写入至第一节点n1。

光电转换电路2用于采集入射光，并根据采集到的入射光生成对应的电信号，以对第一节点n1进行充电；在本公开的各实施例中，以光电转换模块包括光电二极管(photodiode)为例进行描述，其中光电二极管pd的正极可与一电源端(提供电压vr)连接，负极与光电转换模块的输出端连接；当然，本公开中的光电转换模块还可以为其他具有光电转化功能的器件。

电压放大电路3与开启控制信号线s连接，响应开启控制信号线s所提供的开启控制信号的控制，用于对第一节点n1处的电信号进行电压放大处理，并通过输出端将经过电压放大处理后的电信号写入至第二节点n2。

电流放大电路4与开启控制信号线s连接，响应开启控制信号的控制，用于对第二节点n2处的电信号进行电流放大处理，并通过输出端将经过电流放大处理后的电信号写入至信号读取线rl，以供后级处理电路(未示出)根据通过信号读取线rl所获取的电信号确定入射光的光强。

在光检测过程中，光电转换电路2根据采集到的光生成电信号，并对第一节点n1进行充电，此时第一节点n1处的电信号所对应的电压可表征光电转换电路2采集到的入射光的光强。在现有技术中，直接将该第一节点n1处的电信号作为最终信号进行输出，此时若光电转换电路2采集到的光剂量较小时，则第一节点n1处的电信号的电压摆幅较小、电流低，后级处理电路(后级处理电路通过信号读取线rl采集第一节点n1处的电信号)难以进行有效采集。

需要说明的是，后级处理电路可根据光检测单元输出的电信号所对应的电压，来计算得到光电转换电路2所接收到的入射光的光强。具体计算过程为本领域的常规技术，此处不进行详细描述。

为解决上述技术问题，本公开的技术方案通过在第一节点n1后设置电压放大电路3，以对第一节点n1处的电信号进行电压放大处理，同时在再设置电流放大电路4，以对电压放大电路3所输出的电信号进行电流放大处理(可等效于对第一节点n1处的电信号进行了电压放大和电流放大处理)，经过电流放大处理后所输出的电信号写入至信号读取线rl，以作为该光检测单元最终输出的电信号，该最终输出的电信号的电压摆幅大、电流大，便于后级处理电路进行有效采集。

图2为本公开实施例二提供的一种光检测单元的电路结构示意图，如图2所示，图2所示的光检测单元为基于图1所示光检测单元的一种具体化实施方案。

可选地，电压放大电路3包括：共源放大晶体管ta和第一开关晶体管t1。

其中，共源放大晶体管ta的栅极与第一节点n1连接，共源放大晶体管ta的第一极与第二节点n2连接，共源放大晶体管ta的第二极与第一工作电源端连接；第一开关晶体管t1的控制极与开启控制信号线s连接，第一开关晶体管t1的第一极与偏置电流源连接，第一开关晶体管t1的第二极与共源放大晶体管ta的第一极连接。

可选地，电流放大电路4包括：源跟随晶体管tsf和第二开关晶体管t2。

其中，源跟随晶体管tsf的栅极与第二节点n2连接，源跟随晶体管tsf的第一极与第二工作电源端连接，源跟随晶体管tsf的第二极与第二开关晶体管t2的第一极连接；第二开关晶体管t2的控制极与开启控制信号线s连接，第二开关晶体管t2的第二极与信号读取线rl连接。

可选地，重置电路1包括：第三开关晶体管t3；第三开关晶体管t3的控制极与重置控制信号线rst连接，第三开关晶体管t3的第一极与重置电源端连接，第三开关晶体管t3的第二极与第一节点n1连接。

在本公开中，晶体管一般包括三个极：栅极、源极和漏极，晶体管中的源极和漏极在结构上是对称的，根据需要两者是可以互换的。在本公开中，控制极是指晶体管的栅极，第一极和第二极中的一者为源极，另一者为漏极。

此外，按照晶体管特性，可将晶体管分为n型晶体管和p型晶体管；当晶体管为n型晶体管时，其导通电压为高电平电压，截止电压为低电平电压；当晶体管为p型晶体管时，其导通电压为低电平电压，截止电压为高电平电压。

下面以第一开关晶体管t1～第三开关晶体管t3、共源放大晶体管ta、源跟随晶体管tsf均为n型晶体管为例，进行示例性描述。此时，重置电源端提供重置电压为vrst，第一工作电源端提供的第一工作电压为低电平电压vss，第二工作电源端提供的第二工作电压为高电平电压vdd。

下面将结合附图来对图2所示光检测单元的工作过程进行详细描述。

图3为图2所示光检测单元的工作时序图，如图3所示，该光检测单元的工作过程包括三个阶段：重置阶段q1、曝光采样阶段q2和读取阶段q3。

在重置阶段q1，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于高电平状态，开启控制信号线s提供的开启控制信号处于低电平状态。此时，第一开关晶体管t1、第二开关晶体管t2均截止，第三开关晶体管t3导通。

由于第三开关晶体管t3导通，则重置电压vrst通过第三开关晶体管t3写入至第一节点n1，以对第一节点n1进行重置处理。此时，第一节点n1处的电压为vrst。在本公开中，通过调整重置电压vrst可以设置共源极放大晶体管的直流工作点。

需要说的是，当第一节点n1处的电压为vrst时，共源放大晶体管ta处于导通转移，电压放大电路3处于直流工作状态，第二节点n2处的电压近似等于vss。

在曝光采样阶段q2(持续时间为t，t取值由人工预先设定)，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于低电平状态，开启控制信号线s提供的开启控制信号处于低电平状态。此时，第一开关晶体管t1、第二开关晶体管t2和第三开关晶体管t3均截止。

光电二极管pd采集入射光并产生电荷，同时对第一节点n1处进行充电。在该过程中，第一节点n1处的电压开始下降，假定在曝光采样阶段q2结束时，第一节点n1处电压变为量(充电结束后的电压与充电前的电压之差)为△v。在本实施例中，第一节点n1处的电压变化量△v小于或等于0，第一节点n1处的电压变化量△v与入射光的光强相对应(在持续时间t一定的情况下，入射光光强越强，则|△v|越大)。

在曝光采样阶段q2结束时，第一节点n1处的电压为vrst+△v，第二节点n2处的电压仍为近似等于vss。

在读取阶段q3，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于低电平状态，开启控制信号线s提供的开启控制信号处于高电平状态。此时，第一开关晶体管t1、第二开关晶体管t2均导通，第三开关晶体管t3截止。

在光电二极管pd的寄生电容的作用下，第一节点n1处的电压在曝光采样结束后仍保持着vrst+△v。此时由于第一晶体管导通，则偏置电流源提供的偏置电流通过第一晶体管写入至第二节点n2，此时电压放大电路3处于电压放大状态，第二节点n2的电压处的电压由近似等于vss的水平开始上升，并最终上升至放大电压(可看作是电压放大电路3输出放大电压)。本实施例中，假定第二节点n2处的放大电压为vn2，则在上述过程中，第二节点n2处的电信号的电压摆幅近似等于vn2-vss。

其中，电压放大电路3的电压增益，与偏置电流源所提供的偏置电流的大小相关。其中，偏置电流越大，则电压增益越大。即，在第一节点n1处的电压一定的情况下，偏置电流越大，则第二节点n2处的放大电压vn2越大。因此，在实际应用中，通过控制偏置电流的大小，可对电压放大电路3的电压增益进行控制。

在第二节点n2处的电压上升过程中，源跟随晶体管tsf导通并输出电流，第三节点n3处的电压跟随第二节点n2处电压上升而上升。具体地，第三节点n3处的电压由近似等于vss的水平上升vn2-vth，其中vth为源跟随晶体管tsf的阈值电压(n型晶体管的阈值电压取值为正)。即，第三节点n3处的电信号的电压摆幅近似等于vn2-vth-vss。又由于第二开关晶体管t2导通，则信号采集线中电信号的电压摆幅也近似等于vn2-vth-vss。后级处理电路根据通过信号采集线所接收到的电信号的最大电压值vn2-vth，可计算出在曝光采样阶段q2中电压变化量△v，进而能计算出入射光的光强。

此外，在源跟随晶体管tsf导通并输出电流以对第三节点n3进行充电的过程中，源跟随晶体管tsf处于饱和状态，因此源跟随晶体管tsf输出大电流，此时信号采集线中的电信号所对应的电流较大。

由此可见，本实施例所提供的光检测单元，其最终输出的电信号的电压摆幅大、电流大，因而便于后级处理电路进行有效采集，从而能保证最终光检测结果的精准性。

图4为本公开实施例二提供的另一种光检测单元的电路结构示意图，图5为图4所示光检测单元的工作时序图，如图4和图5所示，与图3所示光检测单元不同的是，在图4光检测单元中，第一开关晶体管t1～第三开关晶体管t3、共源放大晶体管ta、源跟随晶体管tsf均为p型晶体管。

此时，重置电源端提供重置电压为vrst，第一工作电源端提供的第一工作电压为高电平电压vdd，第二工作电源端提供的第二工作电压为低电平电压vss。

在重置阶段q1，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于低电平状态，开启控制信号线s提供的开启控制信号处于高电平状态。此时，第一开关晶体管t1、第二开关晶体管t2均截止，第三开关晶体管t3导通。

在曝光采样阶段q2，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于高电平状态，开启控制信号线s提供的开启控制信号处于高电平状态。此时，第一开关晶体管t1、第二开关晶体管t2和第三开关晶体管t3均截止。

在读取阶段q3，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于高电平状态，开启控制信号线s提供的开启控制信号处于低电平状态。此时，第一开关晶体管t1、第二开关晶体管t2均导通，第三开关晶体管t3截止。

对于上述三个阶段的具体描述，可参见前述相应内容，此处不再赘述。

需要说明的是，在本实施例中全部晶体管同时采用p型晶体管，或同时采用n型晶体管的情况，为本公开中的优选实施方案，可使得光检测单元中的晶体管采用同一制备工艺得以同时制备，从而能减少工艺步骤。本领域技术人员应该知晓的是，本公开的技术方案对各晶体管为n型晶体管，还是为p型晶体管不作限制。

图6为本公开实施例三提供的一种光检测方法的流程图，如图6所示，该光检测方法基于上述实施例一或实施例二所提供的光检测单元，该光检测方法包括：

步骤s101、在重置阶段，重置电路响应于重置控制信号的控制，将重置电压写入至第一节点。

步骤s102、在曝光采样阶段，光电转换电路采集入射光并根据采集到的入射光生成对应的电信号，以对第一节点进行充电。

步骤s103、在读取阶段，电压放大电路响应于开启控制信号的控制，对第一节点处的电信号进行电压放大处理，并通过输出端将经过电压放大处理后的电信号写入至第二节点；电流放大电路响应于开启控制信号的控制，对第二节点处的电信号进行电流放大处理，并通过输出端将经过电流放大处理后的电信号写入至信号读取线。

对于上述步骤s101～步骤s103的具体描述，可参见前述实施例一和实施例二中的描述，此处不再赘述。

在本实施例中，通过步骤s103最终输出至信号读取线的电信号，其电压摆幅大、电流大，因而便于后级处理电路进行有效采集，从而能保证最终光检测结果的精准性。

图7为本公开实施例四提供的一种图像传感器的电路结构示意图，如图7所示，该图像传感器包括：光检测单元px，其中光检测单元px采用上述实施例一或实施例二提供的光检测单元，对于该光检测单元px的描述，可参见前述相应内容，此处不再赘述。

优选地，光检测单元px的数量为多个，全部光检测单元在行方向、列方向排布呈阵列(图中示例出阵列为n行、m列)；在阵列中，位于同一行的光检测单元px连接同一开启控制信号线s1/s2……sn，位于不同行的光检测单元px连接不同开启控制信号线s1/s2……sn；位于同一列的光检测单元px连接同一信号读取线rl1/rl2……rlm，位于不同列的光检测单元px连接不同信号读取线rl1/rl2……rlm；全部光检测单元连接同一重置控制信号线rst。

在本实施例中，位于同一行的光检测单元px连接同一开启控制信号线s1/s2……sn，位于同一列的光检测单元px连接同一信号读取线rl1/rl2……rlm，全部光检测单元px的连接同一重置控制信号线的设计，可有效减少图像传感器内信号走线的布置数量，有利于提升图像传感器的识别分辨率。

图8为本公开实施例五提供的图像检测方法的流程图，如图8所示，该图像检测方法基于上述实施例四提供的图像传感器，且图像传感器中光检测单元的数量为多个，全部光检测单元在行方向、列方向排布呈阵列。该图像检测方法包括：

步骤s201、在重置阶段，图像传感器中的全部光检测单元内的重置电路同时响应于重置控制信号的控制，将重置电压写入至对应的第一节点。

步骤s202、在曝光采样阶段，图像传感器中的全部光检测单元内的光电转换电路同时采集入射光并根据采集到的入射光生成对应的电信号，以对对应的第一节点进行充电。

步骤s203、在检测阶段，包括与开启控制信号线一一对应的若干个读取阶段；在各读取阶段中，在与该读取阶段对应的开启控制信号线所连接的一行光检测单元内，各电压放大电路响应于开启控制信号的控制，对对应的第一节点处的电信号进行电压放大处理，并通过输出端将经过电压放大处理后的电信号写入至对应的第二节点；在与该读取阶段对应的开启控制信号线所连接的一行光检测单元内，各电流放大电路响应于开启控制信号的控制，对对应的第二节点处的电信号进行电流放大处理，并通过输出端将经过电流放大处理后的电信号写入至信号读取线。

为方便描述，图9为图7所示图像传感器的一种工作时序图，如图9所示，假定在图7所示图像传感器内各光检测单元均采用图2所示光检测单元，该图像传感器的具体工作过程如下：

在步骤s101中(对应重置阶段q1)，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于高电平，各开启控制信号线s1～sn所提供的开启控制信号处于低电平。此时，各光检测单元px内的第一节点处的电压均为vrst(各第一节点完成重置)。

在步骤s102中(对应曝光检测阶段q2)，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于低电平，各开启控制信号线s1～sn所提供的开启控制信号处于低电平。此时，各光检测单元px内的光电二极管同时进行曝光采样，以对各自输出端所连接的第一节点n1进行充电(各光检测单元同时完成曝光采样)。

在步骤s103中(对应检测阶段q3)，重置控制信号线rst所提供的重置控制信号处于低电平，各开启控制信号线s1～sn所提供的开启控制信号处于高电平状态的时间依次错开。即，整个检测阶段q3划分为n个读取阶段q3，一个读取阶段q3对应一条开启控制信号线s1/s2……sn，在一个读取阶段q3内，对应的开启控制信号线中的开启控制信号处于高电平，而其他开启控制信号线中的开启控制信号处于低电平，以实现对该读取阶段所对应的开启控制信号线所连接的一行光检测单元进行信号读取。信号读取的过程可参见前述相应内容，此处不再赘述。

当然，本领域技术人员应该知晓的是，图9所示工作时序仅起到示例性作用，其不会对本公开的技术方案产生限制。

本公开实施例六提供了一种电子设备，该电子设备包括图像传感器，该图像传感器采用上述实施例四提供的图像传感器。该电子设备可以是数字照相机、移动电话、平板电脑、笔记本电脑等。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。