图像感测电路及方法与流程

本发明涉及一种图像感测电路及方法，尤其涉及一种可用于指纹感测的图像感测电路及方法。

背景技术：

指纹感测技术已被广泛用于各式各样的电子产品，例如移动电话、笔记本电脑、平板计算机、个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)、及可携式电子装置等，用来实现身分识别。通过指纹感测，能够方便地对用户进行身分识别，用户只须将手指放置在指纹感测面板或区域上，即可登入电子装置，而无须输入冗长且繁琐的用户名称及密码。

指纹触控显示整合(fingerprint,touchanddisplayintegration，ftdi)电路通常用来处理显示屏上的指纹感测功能。在光学式指纹感测机制之下，面板可在指纹感测期间内发出光线，当侦测到面板上出现手指触碰时，前述光线可由触碰手指反射并通过设置于面板上的光电二极管(photodiode)进行接收，此反射光包括指纹的波峰及波谷信息，从而产生携带有指纹信息的电压信号。接着，指纹传感器可将此电压信号传送至指纹触控显示整合电路。随后，指纹触控显示整合电路即可对指纹感测的电压信号进行处理，以放大信号并将其转换为数字数据。数字图像数据接着被传送至一主机端，主机端可包括算法，用来根据所接收的图像数据进行指纹图像识别，从而完成指纹识别流程。在屏下指纹感测(in-displayfingerprintsensing)机制下，指纹传感器可包括多个光电二极管遍布在整片屏幕下方，使得指纹图像可在屏幕的任何位置上进行感测。

设置于面板上的指纹传感器应通过薄膜晶体管(thin-filmtransistor，tft)工艺来实现。一般来说，相较于集成电路(integratedcircuit，ic)中常见的互补式金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)工艺而言，薄膜晶体管工艺的效率通常较差。此外，在大尺寸面板的趋势之下，用来传送电压信号的感测线上存在的寄生电容变得愈来愈大，使得驱动感测线到达目标电压所需的稳定时间(settlingtime)逐渐增长，较长的稳定时间将导致指纹感测的用户体验下降。鉴于此，现有技术实有改进的必要。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的即在于提供一种新式的图像感测电路及其相关图像感测方法，以解决上述问题。

本发明的一实施例公开了一种图像感测电路，其包括多个读出电路及一预充电控制电路。该多个读出电路中的每一读出电路耦接于多条感测线中的一感测线，并用来通过相应的该感测线接收多个感测电压中的一感测电压，其中，在接收该感测电压之前，该多个读出电路中的至少一读出电路还用来通过相应的该感测线接收至少一第一预扫描电压。该预充电控制电路耦接于该多个读出电路，用来执行以下步骤：从该至少一读出电路接收该至少一第一预扫描电压；根据该至少一第一预扫描电压，计算一第一预充电电压；以及在该多个读出电路接收该多个感测电压之前，将该多条感测线预充电至该第一预充电电压。

本发明的另一实施例公开了一种图像感测方法，用于一图像感测电路。该图像感测电路具有多个读出电路，其中每一读出电路耦接于多条感测线中的一感测线。该图像感测方法包括以下步骤：该多个读出电路中的至少一读出电路通过该多条感测线中相应的一感测线接收至少一第一预扫描电压；根据该至少一第一预扫描电压，计算一第一预充电电压；将该多条感测线预充电至该第一预充电电压；以及在对该多条感测线进行预充电之后，该多个读出电路接收多个感测电压。

本发明的另一实施例公开了一种图像感测电路，其通过多条感测线耦接于一面板，该面板具有多个感测像素。该图像感测电路包括一图像处理电路、一读出电路及一模拟前端(analogfront-end，afe)电路。该图像处理电路可用来控制该多个感测像素中一第一感测像素的一重置开关器在一重置期间内开启并且在一感测期间内关闭。该读出电路可在该感测期间内用来通过该多条感测线中相应的一感测线从该第一感测像素接收一感测电压，并且在该重置期间内通过相应的该感测线从该第一感测像素接收一重置电压。该模拟前端电路可用来根据该感测电压及该重置电压，产生该第一感测像素的一图像感测信号。

附图说明

图1为本发明实施例一图像感测系统的示意图。

图2及3为一图像感测系统的示意图。

图4示出了位于最大及最小感测电压之间不同手指可能对应到的感测电压。

图5示出了感测电压收敛至其目标电压所需的时间的模拟结果。

图6为本发明实施例一图像感测系统的示意图。

图7为本发明实施例一图像感测流程的流程图。

图8为本发明实施例另一图像感测流程的流程图。

图9为本发明实施例一图像感测系统的示意图。

图10为本发明实施例一图像感测系统的示意图。

图11示出了图10中的图像感测电路相关操作的波形。

图12为本发明实施例一图像感测系统的示意图。

图13示出了图12中的图像感测系统相关操作的波形。

其中，附图标记说明如下：

10、20、30、60、90、100、120图像感测系统

102、202、302、602、902、1002、面板

1202

104、204、304、604、904、1004、图像感测电路

1204

112、1212模拟前端电路

114、1214模拟数字转换器

p11～pxy感测像素

sl1～slx感测线

s1～sy开关信号

r1～rx、1210读出电路

cs存储电容

ssam采样开关器

is电流源

vsout1～vsoutx、vsout感测电压

cpar寄生电容

spre1～sprex、spre1a～sprexa、预充电开关器

spre1b～sprexb、sprea、spreb

vpre、vpre1、vpre2预充电电压

610、1220预充电控制电路

sout1～soutx输出开关器

70、80图像感测流程

700～714、800～814步骤

opa运算放大器

vrst1～vrstx、vrst重置电压

pd1光电二极管

c1电容

m1～m3晶体管

vdio电压

rst重置信号

sel选择信号

1216图像处理电路

vgs栅极对源极电压

vdd电压电平

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例一图像感测系统10的示意图。如图1所示，图像感测系统10包括一面板102及一图像感测电路104。面板102可以是任何类型的显示面板，例如液晶显示(liquidcrystaldisplay，lcd)面板、有机发光二极管(organiclight-emittingdiode，oled)面板等。面板102可包括一指纹传感器阵列，其具有大量的感测像素遍布在整片屏幕下方，以实现屏下指纹感测(in-displayfingerprintsensing)，即屏幕上任何位置都可进行感测，指纹传感器通常是通过薄膜晶体管(thin-filmtransistor，tft)工艺实现于面板102的基板上。图像感测电路104可以是一指纹触控显示整合(fingerprint,touchanddisplayintegration，ftdi)电路，其可实现于芯片中的集成电路(integratedcircuit，ic)。指纹触控显示整合电路可用来控制指纹感测操作以从面板102接收指纹感测图像，同时控制面板102的显示操作。图像感测电路104可设置于一基板(如软性印刷电路板(flexibleprintedcircuitboard，fpc))上，可通过电路板上的连接线连接到面板102上的薄膜晶体管传感器阵列。

如图1所示，在指纹感测操作期间，当面板102的一特定区域侦测到手指触碰时，面板102可在该特定区域进行发光，由触碰的手指反射的光线可由薄膜晶体管传感器中的光电二极管(photodiode)进行感测，以产生感测电压信号，此电压信号再通过感测线被图像感测电路104接收。在一实施例中，图像感测电路104包括一模拟前端(analogfront-end，afe)电路112，用来从面板102接收电压信号，并且对电压信号进行放大。图像感测电路104也可包括一模拟数字转换器(analog-to-digitalconverter，adc)114，用来将电压信号转换为数字数据，从而通过后端的主机或核心处理器进行处理和识别。

请参考图2，图2为一图像感测系统20的示意图。如图2所示，图像感测系统20包括一面板202及一图像感测电路204。面板202可包括以阵列形式布置的多个感测像素，其中，每一列感测像素可共同耦接至一感测线，且每一条感测线耦接于一输入输出端口(i/opin)，以进一步耦接至图像感测电路204。更明确来说，面板202上设置有x列及y行的感测像素，x、y为正整数。如图2所示，每一感测像素包括一晶体管(作为源极跟随器(sourcefollower))及一开关器，每一感测像素还包括一光电二极管(为求简化而省略于图2)，用来进行光学式感测。详细来说，位于第一列的感测像素p11～p1y共同耦接至感测线sl1，位于第x列的感测像素px1～pxy共同耦接至感测线slx。感测像素中的开关器可通过开关信号s1～sy依序开启，一行一行扫描感测像素以输出图像感测电压至图像感测电路204。

图像感测电路204可包括多个读出电路r1～rx，其中每一读出电路r1～rx以一对一的对应方式分别耦接于一感测线sl1～slx。每一读出电路r1～rx包括一存储电容cs、一采样开关器ssam及一电流源is。读出电路r1～rx可用来通过相应的感测线接收图像感测电压。举例来说，若欲读出第n行感测像素的图像感测电压时，可开启位于第n行感测像素的开关器，以将多个图像感测电压分别传送至感测线sl1～slx，即感测电压vsout1～vsoutx。如此一来，读出电路r1～rx可对感测电压vsout1～vsoutx进行采样。详细来说，可开启读出电路r1～rx中的采样开关器ssam来传送感测电压vsout1～vsoutx，以将感测电压vsout1～vsoutx存入存储电容cs，接着再传送至后端电路，例如模拟前端电路及模拟数字转换器等。通过一行一行对感测像素进行扫描，当所有感测像素都完成扫描之后，读出电路r1～rx即可取得完整图像帧的感测电压。或者，对指纹图像感测而言，若图像感测电路204可取得触碰手指的位置信息时，即可根据位置信息而只需扫描部分行及/或部分列的感测像素以取得完整图像帧。

在图像读出过程中，每一条感测线sl1～slx上的感测电压vsout1～vsoutx可分别随着来自于每一行感测像素的电压信号上升或下降。因此，每一条感测线sl1～slx上的寄生电容cpar需在每一电压读出周期期间进行充电或放电，此时感测电压vsout1～vsoutx遵循以下指数函数进行变化：

其中，vsout可以是感测电压vsout1～vsoutx中的任一者，δv代表感测线上连续两电压(即通过同一条感测线输出的两相邻感测像素的图像感测电压)的差异，t为时间，τ代表根据感测线的寄生电容及电阻而决定的时间常数。

如上所述，感测像素中的电路组件是通过薄膜晶体管工艺来实现，其具有较差的效率，因此感测像素中的源极跟随器的驱动能力较弱。在此情况下，需花费较长时间来确保感测电压vsout收敛至其目标值，否则采样到的感测电压vsout可能与其先前的数值相关，导致输出的感测电压产生误差。由于指纹感测像素遍布在整片面板下，因此感测线的长度相当长，使得寄生电容cpar往往存在无法忽略的电容值，如此一来，在每一电压读出周期内可能没有足够的时间使感测电压vsout达到稳定。预充电机制可用来改善感测电压vsout的稳定时间，如后详述。

请参考图3，图3为一图像感测系统30的示意图。如图3所示，图像感测系统30包括一面板302及一图像感测电路304。面板302的电路结构相同于面板202的电路结构，故功能相似的信号或组件都以相同符号表示。图像感测电路304的电路结构也相同于图像感测电路204的电路结构，除了图像感测电路304还包括多个预充电开关器spre1～sprex，其中，每一预充电开关器spre1～sprex分别耦接于其中一读出电路r1～rx。预充电开关器spre1～sprex使得感测线sl1～slx可在接收感测电压vsout1～vsoutx之前先被预充电至一特定预充电电压vpre。预充电电压vpre可以是例如后端电路(如模拟前端电路及/或模拟数字转换器)可操作的最大及最小电压之间的一中间电压。在此情况下，读出电路r1～rx接收到的感测电压vsout1～vsoutx即可独立于其先前的感测电压，且每一电压读出周期内最大可能的电压变化可减少一半。

然而，由于面板尺寸存在逐渐上升的趋势，感测线上的寄生电容及电阻也随之而逐渐增大，使得感测电压的稳定时间(settlingtime)仍然不足。同时，由于工艺上的不匹配，不同感测线上的时间常数变异以及感测像素中源极跟随器的特性变异也逐渐提高，使得不同感测线上的感测电压具有不同的充电速度，因此，若感测电压在收敛到其目标值之前即已被采样，将导致读出电路r1～rx取得的感测电压出现误差。如上所述，面板302上感测像素的电路组件是通过薄膜晶体管工艺来实现，而薄膜晶体管工艺通常存在较大的工艺不匹配或漂移(高达20％)。

本发明提供了一种新式的图像感测电路及读出电路，可将感测线预充电至适当的预充电电压(例如图像感测电压的平均电压)，可大幅降低感测电压所需的稳定时间，从而改善寄生电容过大、稳定时间不足、及/或工艺不匹配等因素所造成的误差问题。

一般来说，本发明的图像感测电路应能够接收并处理大范围的感测电压，其可对应不同的亮度等级。图4示出了位于图像感测电路可接收并处理的最大及最小感测电压(亮度最亮及最暗)之间不同手指可能对应到的感测电压。如图4所示，虽然图像感测电路可接收的电压具有较宽的范围，但实际接收的关于手指触碰的感测电压(其对应于指纹波峰对波谷变化)可能位于极小范围内。若可预先取得对应于手指触碰的指纹感测电压的平均电压并将感测线预充电至该平均电压时，此预充电电压可接近于欲通过感测线传送的任何感测电压，如此一来，可大幅降低感测电压的稳定时间。

举例来说，如图4所示，第1个指纹图像映射到较高的平均亮度，因此可在图像感测电路接收对应于第1个指纹图像的感测电压之前，将感测线预充电至一较高电压电平；第2个指纹图像映射到中等的平均亮度，因此可在图像感测电路接收对应于第2个指纹图像的感测电压之前，将感测线预充电至一中间电压电平；第3个指纹图像映射到较低的平均亮度，因此可在图像感测电路接收对应于第3个指纹图像的感测电压之前，将感测线预充电至一较低电压电平。不同指纹图像间的亮度差异可能由各种不同因素造成，例如环境光亮度、手指的颜色及温度等。无论亮度的差异来自于哪一种原因，图像感测电路仅需要取得指纹感测电压的平均电压或者任何可代表指纹感测电压数值的其它电压，接着将感测线预充电至该目标电压即可。需注意的是，对于面板上感测到的不同指纹图像而言，所取得的用于图像感测电压的预充电电压可能彼此不同；对于不同时间接收到的相同手指的指纹图像而言，其也可能取得不同的预充电电压。

图5示出了感测电压收敛至其目标电压所需的时间的模拟结果，其中，预充电电压被设定为2.5v，而从面板输出的感测电压位于2.2v至2.8v之间的范围。更明确来说，图5显示使感测电压收敛至其目标电压的1mv范围内的稳定时间。由图5可知，若可预先取得指纹的平均电压并且将感测线预充电至该平均电压时，即可缩短稳定时间。

请参考图6，图6为本发明实施例一图像感测系统60的示意图。如图6所示，图像感测系统60包括一面板602及一图像感测电路604。面板602的电路结构相同于面板302的电路结构，故功能相似的信号或组件都以相同符号表示。图像感测电路604的电路结构也相同于图像感测电路304的电路结构，因而采用相同符号，除了图像感测电路604还包括一预充电控制电路610以外。预充电控制电路610可根据所接收的感测电压vsout1～vsoutx来计算预充电电压vpre。在一范例实施例中，预充电控制电路610可对所接收的感测电压vsout1～vsoutx进行平均，以取得预充电电压vpre。接着，在读出电路r1～rx从感测线sl1～slx接收感测电压vsout1～vsoutx之前，预充电控制电路610可输出预充电电压vpre以对感测线sl1～slx进行预充电。

如图6所示，图像感测电路604还可包括多个输出开关器sout1～soutx，其中，每一输出开关器sout1～soutx耦接于预充电控制电路610以及读出电路r1～rx的其中一者之间。通过输出开关器sout1～soutx的控制，预充电控制电路610可选择从读出电路r1～rx的至少一者接收电压。此外，在图像感测电路604中，还可将预充电开关器spre1～sprex耦接至预充电控制电路610，使得预充电控制电路610可将计算出来的预充电电压vpre分别通过预充电开关器spre1～sprex传送至感测线sl1～slx。

请参考图7，图7为本发明实施例一图像感测流程70的流程图。图像感测流程70可实现于一指纹图像感测电路，例如图6中的图像感测电路604。如图7所示，图像感测流程70包括以下步骤：

步骤700：开始。

步骤702：接收手指触碰的位置信息。

步骤704：根据位置信息开启读出电路r1～rx中的至少一者，以通过感测线sl1～slx中的相应感测线接收至少一预扫描电压。

步骤706：根据至少一预扫描电压，计算预充电电压vpre。

步骤708：通过预充电开关器spre1～sprex输出预充电电压vpre，以将感测线sl1～slx预充电至预充电电压vpre。

步骤710：在感测线sl1～slx进行预充电之后，读出电路r1～rx从一行感测像素接收感测电压vsout1～vsoutx。

步骤712：判断是否已读出完整图像。若是，则执行步骤714；若否，则执行步骤708。

步骤714：结束。

图像感测流程70中的步骤可大致区分为一预扫描流程及一正常读出流程，此处以面板接收手指触碰以进行指纹感测操作为例。在预扫描流程中，图像感测电路604先接收手指触碰的位置信息(步骤702)。位置信息用来指示可代表手指位置的一坐标点或特定区域。在一实施例中，代表手指位置的特定区域可以是手指中心位置所覆盖的区域。

接着，可根据手指触碰的位置信息，开启图像感测电路604中的读出电路r1～rx的至少一者，以通过相应的感测线sl1～slx来接收至少一预扫描电压(步骤704)。更明确来说，当图像感测电路604取得手指的位置信息之后，可判断代表手指位置的特定区域，从而决定耦接于位于代表手指区域的感测像素的至少一读出电路r1～rx。因此，该(些)至少一读出电路即可从位于代表手指区域中的感测像素接收预扫描电压，并接着传送预扫描电压至预充电控制电路610。

值得注意的是，关于手指触碰的位置信息可来自于面板602的触控模块或触控感测电路。在一实施例中，位置信息可指示手指的中心位置，因此，预扫描电压可由手指中心位置所覆盖的感测像素进行接收。一般来说，在手指中心位置下方的感测像素所感测到的指纹感测电压的平均电压大约等于整个手指下方的感测像素所感测到的指纹感测电压的平均值。为了加速平均电压的取得，优选地可以仅从代表手指的区域(如手指的中心位置)接收预扫描电压。在此情况下，可控制输出开关器sout1～soutx以选择将预扫描电压传送至预充电控制电路610。

除此之外，在预扫描流程中，为了取得准确的平均电压，对于预扫描操作应提供足够的稳定时间给读出电路r1～rx以接收预扫描电压，此稳定时间应长于正常读出操作下用于读出电路r1～rx接收感测电压vsout1～vsoutx的稳定时间。在预扫描操作中，可延长稳定时间以确保感测线上的预扫描电压在读出电路进行采样之前收敛至正确的数值，通过正确的预扫描电压即可计算出正确的平均电压值。

因此，预充电控制电路610可通过对接收的预扫描电压进行平均，以计算并取得预充电电压vpre(步骤706)，也就是说，预充电电压vpre等于预扫描电压的平均。接着，图像感测流程70进入正常读出流程，预充电控制电路610可通过预充电开关器spre1～sprex输出预充电电压vpre，以将感测线sl1～slx充电至预充电电压vpre(步骤708)。

当感测线sl1～slx被充电至预充电电压vpre之后，读出电路r1～rx可在一电压读出周期中，通过感测线sl1～slx从一行感测像素接收感测电压vsout1～vsoutx(步骤710)。接着，图像感测电路604判断图像是否已完全读出(步骤712)。若仍存在需进行扫描的一行感测像素，则流程回到步骤708以再次进行预充电操作并接着读出下一行感测像素的感测电压vsout1～vsoutx。图像感测电路604可一行一行依序扫描，直到完整图像的感测电压vsout1～vsoutx被完全读出为止。若每一行感测像素都已扫描完毕，即代表图像感测流程70完成。或者，图像感测流程70也可在对应于手指覆盖位置的数行感测像素完成扫描之后视为执行完成。由于后端的指纹识别电路仅需要考虑指纹图像所对应的感测信号，因此，优选地，只需要从手指覆盖位置下的感测像素读出感测信号即可。

值得注意的是，通过预充电控制电路610对感测线sl1～slx进行预充电的运作可大幅降低从感测线sl1～slx接收感测电压vsout1～vsoutx的稳定时间。由于包括在图像感测电路604中的预充电控制电路610可由互补式金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)工艺来实现，因此，预充电控制电路610可提供较高的驱动能力来对感测线sl1～slx上的寄生电容cpar进行充电，如此即可将感测线sl1～slx快速充电至预定的预充电电压vpre。接着，若预充电电压vpre等于或接近于指纹感测电压的平均电压时，感测线sl1～slx可快速充电或放电至指纹感测电压。

请参考图8，图8为本发明实施例另一图像感测流程80的流程图。图像感测流程80可实现于一指纹图像感测电路，例如图6中的图像感测电路604。如图8所示，图像感测流程80包括以下步骤：

步骤800：开始。

步骤802：利用一第一预充电电压来读出一指纹图像的感测电压vsout1～vsoutx。

步骤804：判断指纹图像的质量是否良好。若是，则执行步骤814；若否，则执行步骤806。

步骤806：根据所接收的感测电压，计算一第二预充电电压。

步骤808：通过预充电开关器spre1～sprex输出第二预充电电压，以将感测线sl1～slx预充电至第二预充电电压。

步骤810：在感测线sl1～slx进行预充电之后，读出电路r1～rx从一行感测像素接收感测电压vsout1～vsoutx。

步骤812：判断是否已读出完整图像。若是，则执行步骤814；若否，则执行步骤808。

步骤814：结束。

图像感测流程80中的步骤可大致区分为一第一读出流程及一第二读出流程。在第一读出流程中，图像感测电路604可基于一第一预充电电压来读出一指纹图像帧的感测电压vsout1～vsoutx(步骤802)。即，在每一电压读出周期中，每一条感测线在进行读出操作之前都可先预充电至第一预充电电压。第一预充电电压可通过如上述预扫描流程中对预扫描电压进行平均的方式取得。或者，第一预充电电压也可以是预设的预充电电压，或通过其它方式决定的预充电电压。

在图像感测电路604读出指纹图像的感测电压vsout1～vsoutx之后，可判断指纹图像的质量是否良好(步骤804)。举例来说，图像感测电路604可判断指纹图像是否能够识别，或者，也可从主机端接收指示来判断指纹图像是否能够识别。若判断指纹图像的质量为良好的情况下，即可完成图像感测流程80。若指纹图像的质量不良，则需进一步执行第二读出流程。

接着，预充电控制电路610可根据第一读出流程中接收的感测电压vsout1～vsoutx来计算一第二预充电电压(步骤806)。同样地，第二预充电电压也可通过平均来计算，其中，第一读出流程所接收的感测电压vsout1～vsoutx可作为预扫描电压，用来执行第二读出流程的平均。接着，预充电控制电路610可通过预充电开关器spre1～sprex输出第二预充电电压，以将感测线sl1～slx预充电至第二预充电电压(步骤808)。接下来，读出电路r1～rx可在一电压读出周期中，通过感测线sl1～slx从一行感测像素接收感测电压vsout1～vsoutx(步骤810)，图像感测电路604并接着判断图像是否已完全读出(步骤812)。关于该些步骤的详细运作方式类似于前述图像感测流程70中的步骤708、710及712，在此不复述。

在一实施例中，图像感测流程80可在图像感测流程70之后执行，也就是说，若通过图像感测流程70取得的指纹图像被判断为质量不良，可进一步执行图像感测流程80中的第二读出流程以取得更正确的指纹图像。可替换地或额外地，图像感测流程80也可重复执行，也就是说，若通过第二读出流程取得的指纹图像的质量仍不足，可继续执行第三次、第四次的读出流程等，直到取得的指纹图像质量良好及/或可识别为止。

值得注意的是，本发明实施例的目的在于提供一种可改善读出图像感测电压的稳定时间的图像感测电路及方法。本领域技术人员当可据此进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，在上述实施例中，图像感测电路604及其读出电路r1～rx可用来从具有主动像素传感器(activepixelsensor，aps)结构的面板接收指纹感测信号。但在另一实施例中，图像感测电路中的读出电路也可应用于被动像素传感器(passivepixelsensor，pps)的面板结构。

请参考图9，图9为本发明实施例一图像感测系统90的示意图。如图9所示，图像感测系统90包括一面板902及一图像感测电路904。面板902及图像感测电路904的电路结构分别相似于面板602及图像感测电路604的电路结构，故功能相似的信号或组件都以相同符号表示。面板902与面板602之间的差异在于，面板902上的感测像素p11～pxy具有被动像素传感器结构，而不是主动像素传感器结构。在此情况下，每一感测像素都具有一电容、一光电二极管及一开关器，但未包括源极跟随器。对应地，图像感测电路904中的每一读出电路r1～rx可包括一运算放大器opa，可用来从被动像素传感器中的感测像素读出指纹感测电压。

详细来说，在每一读出电路r1～rx中，运算放大器opa的正输入端耦接于预充电控制电路610，用来接收来自于预充电控制电路610的预充电电压vpre。运算放大器opa的负输入端耦接于相应的感测线sl1～slx。由于运算放大器opa输入端之间的虚短路(virtualshort-circuit)特性，可在读出电路r1～rx从感测线sl1～slx接收感测电压vsout1～vsoutx之前，使感测线sl1～slx先充电至预充电电压vpre。上述关于图像感测流程70及80的运作方式也可应用于被动像素传感器面板的图像感测电路904。

在一实施例中，模拟前端电路具有一差分输入结构，其可从各信道接收一感测电压及一重置电压，而实际的输出信号可根据重置电压与感测电压之间的差异来决定。因此，图像感测电路被要求能够接收基于面板上感测像素的曝光结果而产生的感测电压，同时也能够接收尚未曝光下的重置电压。在此情况下，图像感测电路可被设定为具有两个预充电电压，分别用于感测线接收感测电压及重置电压的预充电。

请参考图10，图10为本发明实施例一图像感测系统100的示意图。如图10所示，图像感测系统100包括一面板1002及一图像感测电路1004。面板1002及图像感测电路1004的电路结构分别相似于面板602及图像感测电路604的电路结构，故功能相似的信号或组件都以相同符号表示。图像感测电路1004与图像感测电路604之间的差异在于，图像感测电路1004中的每一读出电路r1～rx各自耦接于两个预充电开关器。举例来说，读出电路r1耦接于预充电开关器spre1a及spre1b，可分别通过预充电开关器spre1a及spre1b接收一第一预充电电压vpre1及一第二预充电电压vpre2。读出电路rx耦接于预充电开关器sprexa及sprexb，可分别通过预充电开关器sprexa及sprexb接收第一预充电电压vpre1及第二预充电电压vpre2。对应地，预充电控制电路610可用来产生并输出两个预充电电压vpre1及vpre2。或者，图像感测电路1004也可包括两个预充电控制电路，其中一预充电控制电路用来产生第一预充电电压vpre1，另一者用来产生第二预充电电压vpre2。

在此例中，图像感测系统100可操作在一重置模式，并接着进入一感测模式。在重置模式中，图像感测电路1004可从面板1002接收重置电压vrst1～vrstx(如通过感测线sl1～slx)。在图像感测电路1004接收重置电压vrst1～vrstx之前，可先通过至少一读出电路r1～rx来接收预扫描电压，此预扫描电压对应于重置操作，可从未执行曝光的感测像素取得，并通过至少一感测线sl1～slx进行接收。接着，预充电控制电路610根据所接收的预扫描电压，计算用于重置操作的第一预充电电压vpre1，例如对接收到的预扫描电压进行平均以产生第一预充电电压vpre1。如此一来，预充电控制电路610可通过预充电开关器spre1a～sprexa输出第一预充电电压vpre1，以在图像感测电路1004从面板1002接收重置电压vrst1～vrstx之前，先将感测线sl1～slx充电至第一预充电电压vpre1。

接着，在重置模式之后的感测模式中，图像感测电路1004可从面板1002接收感测电压vsout1～vsoutx(如通过感测线sl1～slx)。在图像感测电路1004接收感测电压vsout1～vsoutx之前，可先通过至少一读出电路r1～rx接收预扫描电压，此预扫描电压对应于感测操作，可从感测像素通过图像感测的曝光来取得，并通过至少一感测线sl1～slx进行接收。接着，预充电控制电路610根据所接收的预扫描电压，计算用于感测操作的第二预充电电压vpre2，例如对接收到的预扫描电压进行平均以产生第二预充电电压vpre2。如此一来，预充电控制电路610可通过预充电开关器spre1b～sprexb输出第二预充电电压vpre2，以在图像感测电路1004从面板1002接收感测电压vsout1～vsoutx之前，先将感测线sl1～slx充电至第二预充电电压vpre2。

因此，图像感测流程70中的预扫描流程可应用于重置模式，以在接收重置电压vrst1～vrstx之前使感测线sl1～slx被预充电至第一预充电电压vpre1，从而降低重置电压vrst1～vrstx的稳定时间，同时提升正常读出流程之下重置电压vrst1～vrstx的读出速度。图像感测流程70中的预扫描流程也可应用于感测模式，以在接收感测电压vsout1～vsoutx之前使感测线sl1～slx被预充电至第二预充电电压vpre2，从而降低感测电压vsout1～vsoutx的稳定时间，同时提升正常读出流程之下感测电压vsout1～vsoutx的读出速度。同样地，图像感测流程80中的第一及第二读出流程也可应用于重置电压vrst1～vrstx以及感测电压vsout1～vsoutx的接收，本领域技术人员可参考上述段落的说明而理解其相关的详细实施及运作方式，在此不赘述。

图11示出了图像感测电路1004相关操作的波形，其包括重置模式下的重置操作以及感测模式下的感测操作。更明确来说，图11示出了来自于面板1002的电压(其可以是任一条感测线sl1～slx上的电压)以及预充电开关器spre1a～sprexa、spre1b～sprexb和采样开关器ssam的运作。在重置模式中，预充电开关器spre1a～sprexa开启，使感测线sl1～slx被预充电至第一预充电电压vpre1。图像感测电路1004接着通过采样开关器ssam进行采样来接收重置电压vrst1～vrstx(其通常接近于第一预充电电压vpre1)。接下来，在感测模式中，预充电开关器spre1b～sprexb开启，使感测线sl1～slx被预充电至第二预充电电压vpre2。图像感测电路1004接着通过采样开关器ssam进行采样来接收感测电压vsout1～vsoutx(其通常接近于第二预充电电压vpre2)。

请参考图12，图12为本发明实施例一图像感测系统120的示意图。图12更详细地示出了指纹图像感测电路的电路结构及实施方式。如图12所示，图像感测系统120包括一面板1202及一图像感测电路1204。面板1202可包括一指纹传感器阵列，其具有大量的感测像素遍布在整片屏幕下方，以实现屏下指纹感测，即屏幕上任何位置都可进行感测。每一感测像素都包括一光电二极管pd1、一电容c1及晶体管m1～m3。需注意的是，面板1202上可包括以阵列方式布置的多个结构相似的感测像素，为求简化，图12仅示出一感测像素作为示例。

在每一感测像素中，光电二极管pd1可用来进行曝光以根据感测到的光线来产生电荷。电容c1可用来存储由光电二极管pd1产生的电荷，电容c1上的电压vdio可用来反映光电二极管pd1所接收的曝光信息。晶体管m1作为一重置晶体管，可通过一重置信号rst进行控制。晶体管m2作为一源极跟随器，可用来传送携带有曝光信息的电压vdio或像素重置电压至感测线。晶体管m3作为一选择晶体管，可通过一选择信号sel进行控制。一般来说，一列感测像素可共同耦接至一感测线，感测像素中的晶体管m3可在选择信号sel的控制之下一行一行依序开启。

图像感测电路1204包括一读出电路1210、一模拟前端电路1212、一模拟数字转换器1214及一图像处理电路1216。读出电路1210可从相应感测像素接收一感测电压vsout及一重置电压vrst。在一实施例中，读出电路1210可由一相关双采样(correlateddoublesampling，cds)电路来实现，其可在感测期间内对感测线上的感测电压vsout进行采样，并且在重置期间内对感测线上的重置电压vrst进行采样。接着，模拟前端电路1212在感测期间内接收感测电压vsout并在重置期间内接收重置电压vrst，并且对所接收的电压进行放大。模拟前端电路1212可包括一差分放大器(differentialamplifier，da)，可根据感测电压vsout及重置电压vrst来产生一图像感测信号。更明确来说，差分放大器可通过将感测电压vsout与重置电压vrst相减来产生图像感测信号。关于重置电压vrst的相减可移除各感测像素上产生的噪声或偏移，例如源极跟随器(即晶体管m2)的偏移电压。模拟数字转换器1214即可将接收到的图像感测信号转换为数字数据，以通过后续的图像处理电路1216进行处理，图像处理电路1216可进一步将数字数据传送至一主机端或核心处理器，以进行指纹识别。

图像处理电路1216还可包括一预充电控制电路1220，预充电控制电路1220的运作类似于前述实施例中的预充电控制电路610。更明确来说，预充电控制电路1220可在感测电压vsout或重置电压vrst被接收之前，输出一预充电电压vpre1或vpre2以对感测线进行预充电。针对感测电压vsout的接收而言，可将感测线预充电至预充电电压vpre1，预充电电压vpre1可通过对用于感测电压vsout的至少一预扫描电压进行平均来计算，而至少一预扫描电压可通过一或多个读出电路来接收。针对重置电压vrst的接收而言，可将感测线预充电至预充电电压vpre2，预充电电压vpre2可通过对用于重置电压vrst的至少一预扫描电压进行平均来计算，而至少一预扫描电压可通过一或多个读出电路来接收。

详细来说，请参考图13，图13示出了图12中的图像感测系统120相关操作的波形。图像处理电路1216可输出重置信号rst及选择信号sel至每一感测像素，以控制各感测像素的运作。如图13所示，重置信号rst及选择信号sel为“高”状态时可开启相应的晶体管(即开关器)，为“低”状态时可关闭相应的晶体管。当晶体管m3通过相应的选择信号sel开启时，可读出感测像素上的图像信号。在感测期间内，重置晶体管m1关闭，光电二极管pd1的曝光使电压vdio逐渐下降。晶体管m2作为一源极跟随器，可将电压vdio-vgs传送至感测线，其中vgs为晶体管m2的栅极对源极电压。在对感测电压vsout进行采样之前，可先开启预充电开关器sprea，以将感测线预充电至第一预充电电压vpre1。在重置期间内，重置晶体管m1开启，以将电压vdio充电至电压电平vdd。晶体管m2从而将电压vdd-vgs传送至感测线。在对重置电压vrst进行采样之前，可先开启预充电开关器spreb，以将感测线预充电至第二预充电电压vpre2。

值得注意的是，图12所示的图像感测电路1204的电路结构仅为本发明众多实施方式的其中一种。举例来说，图像感测电路1204可包括多个信道且每一信道都具有结构相似的读出电路可用来从相应的感测线接收电压。在一实施例中，多个信道中的读出电路可共同耦接至一模拟前端电路；或者，每一信道都可包括一读出电路及一模拟前端电路，且多个信道中的模拟前端电路可共同耦接至一模拟数字转换器；又或者，每一信道可包括一读出电路、一模拟前端电路及一模拟数字转换器，且多个信道中的模拟数字转换器可共同耦接至图像处理电路。在一实施例中，读出电路也可整合于模拟前端电路中。

另外需注意的是，对于感测像素的感测操作而言，重置电压vrst可在感测电压vsout之前被接收，如图11所示的情况；或者重置电压vrst也可在感测电压vsout之后被接收，如图13所示的情况。只要在读出感测电压vsout及重置电压vrst的任一者之前先将相应感测线预充电至计算出的一预充电电压以降低稳定时间，其实施方式都属于本发明的范畴。

综上所述，本发明提供了一种图像感测电路及方法，可用来改善图像感测电压读出的稳定时间。在一实施例中，在正常读出流程之前，可先执行一预扫描操作，以从面板上可代表手指位置的区域(如手指中心位置覆盖的区域)接收一或数个预扫描电压。预充电控制电路可从而对接收到的预扫描电压进行平均，以取得预充电电压。接着，在每一电压读出周期中，可在读出图像感测电压之前将感测线预充电至预充电电压。本发明的预扫描流程可应用于接收感测电压的感测操作，也可应用于感测操作之前或之后的重置操作，其中，重置操作用来接收未执行曝光下取得的重置电压。如此一来，可大幅降低图像感测电压的稳定时间，从而加速指纹图像的读出速度，同时改善指纹图像的质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。