图像传感器、电子设备以及光脉冲信号检测方法与流程

本发明涉及半导体图像传感器技术领域，特别是一种图像传感器、电子设备以及光脉冲信号检测方法。

背景技术：

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾画着未来人类的日常生活的美景。现有的图像传感器的像素阵列通常使用直接的方式，逐行读出整个阵列所有像素的值来判断是否有光信号的变化，但整体读出来判断光信号的变化受限于图像传感器本身的读出速度，做不到快速的感应。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种图像传感器以及感应方法，以使图像传感器做到快速感应。

为实现上述目的，本发明提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括感应像素单元以及常规像素单元，所述感应像素单元以及常规像素单元呈行列排布，设置在同一行相邻的两个所述感应像素单元之间设置有常规像素单元第一间隔距离；分别位于两行的相邻两个所述感应像素单元之间设置有预设的第二间隔距离；所述图像传感器还包括若干选通控制线；所述感应像素单元和常规像素单元分别接入所述选通控制线以控制选通。

常规像素单元进一步地，所述感应像素单元包括第一感光元件以及与第一感光元件电连接的第一传输电路；所述第一传输电路还包括第一感应选通管，所述第一感应选通管为晶体管。

进一步地，所述第一传输电路还包括第二感应选通管，以及第二感应选通管为晶体管。

进一步地，所述第一感应选通管的栅极与所述第二感应选通管的栅极接入同一条选通控制线。

进一步地，所述第一感应选通管的栅极与一条选通控制线电连接，所述第二感应选通管的栅极接入电源。

进一步地，所述感应像素单元还包括第一复位管、第一放大管，所述第一复位管、第一放大管为晶体管；所述第一复位管与所述第一放大管电连接，所述第一感应选通管和第二感应选通管电连接，接入所述第一放大管的源极，或所述第一感应选通管接入所述第一放大管的漏极，所述第二感应选通管接入所述第一放大管的源极。

进一步地，所述常规像素单元包括第二感光元件以及与第二感光元件电连接的第二传输电路；所述第二传输电路还包括第一输出选通管以及第二输出选通管，所述第一输出选通管接入一条选通控制线，所述第二输出选通管接入另一条选通控制线。

进一步地，所述第二传输电路还包括第二复位管、第二放大管，所述第二复位管、第二放大管、第一输出选通管以及第二输出选通管均为晶体管；所述第一输出选通管和第二输出选通管电连接，接入所述第二放大管的源极，或

所述第一输出选通管接入所述第二放大管的漏极，所述第二选通管接入所述第二放大管的源极。

进一步地，所述图像传感器还包括参考像素单元，所述参考像素单元包括第三感光元件、第三复位管、第三放大管、第一参考选通管以及第二参考选通管，所述第三复位管的栅极与电源线电连接。

本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述任意一项所述的图像传感器。

本发明还提供一种光脉冲信号检测方法：所述光脉冲信号检测方法运用在上述任意一项所述的图像传感器，所述光脉冲信号检测方法包括：

获取每个感应像素单元的电信号值；

根据所述电信号值，计算所述图像传感器的感应信号值；

获取参考值；

根据所述参考值以及所述感应信号值，计算获得第一状态差值；

判断所述第一状态差值是否大于第一预设差值；若所述第一状态差值大于所述第一预设差值，则设定所述第一状态差值为初始差值；

继续获取当前所述参考值以及所述感应信号值，并计算获得第二状态差值；

判断当前的第二状态差值与上一时刻的第二状态差值之差是否小于第二预设差值，若当前的第二状态差值与上一时刻的第二状态差值之差小于第二预设差值，则设置当前第二状态差值为停止状态差值；

根据所述停止状态差值，计算光脉冲信号强度和起止时间。

本发明提供的图像传感器，通过在图像传感器中设置感应像素单元，并在没有增加额外的选通信号，没有增加电路复杂性以及降低感光原件填充因子的情况下由感应像素单元检测光脉冲信号，除了可以快速检测光脉冲信号，还能快速检测光脉冲强度，并且不影响其他常规像素单元积累存储的光生电信号。同时，常规像素单元两个选通管设计确保了在短路情况下图像传感器仍能够正常工作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的图像传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的图像传感器的部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一图像传感器的部分结构示意图；

图4为本发明实施例提供的参考像素单元的结构示意图；

图5为本发明实施例的感应像素单元的部分读出时序图；

图6为本发明实施例的常规像素单元的部分读出时序图；

图7为本发明实施例提供的图像传感器的感应方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的感应流程示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括感应像素单元10、常规像素单元20以及参考像素单元30，所述感应像素单元10、常规像素单元20参考像素单元30呈行列排布。设置在同一行相邻的两个所述感应像素单元10之间设置有预设的第一间隔距离；分别位于两行的相邻两个所述感应像素单元10之间设置有预设的第二间隔距离；所述图像传感器还包括若干选通控制线；所述感应像素单元10和常规像素单元20分别接入所述选通控制线以控制选通。

在本实施例中，行列排布包括沿x方向分布的行分布，以及沿y方向的列分布；具体的，若干常规像素单元20呈紧密的行列排布，感应像素单元10设置在所述常规像素单元20之间。具体的，第一间隔距离为在同一行的相邻感应像素单元10之间在x方向上的间隔距离，第二间隔距离为分布位于两行的两个感应像素单元10之间的直线距离。优选的，同一行相邻的所述感应像素单元之间的第一间隔距离相同，可以理解的，同一行相邻的两个感应像素单元10之间的距离相同，即同一行相邻的两个感应像素单元10之间设置有相同数量的常规像素单元20，使感应像素单元10均匀的分布图像传感器中，可利用最少的感应像素单元来快速精确的感应光脉冲信号。

参考图2，图2示出了本发明图像传感器实施例部分结构示意图，图像传感器包括多个呈行列排布的感应像素单元10和常规像素单元20。需要说明的是，为了使附图更加清楚、简洁，图2中仅出示了图像传感器的部分元件示意图，部分图像传感器包括感应像素单元10以及常规像素单元201、常规像素单元202、常规像素单元203、常规像素单元204和常规像素单元205；为实现感应像素单元10、常规像素单元201、常规像素单元202、常规像素单元203、常规像素单元204和常规像素单元205的控制或信号的输出，所述部分图像传感器还包括输送选通信号的选通控制线sel[n+1]、sel[n]以及sel[n-1]，输送复位信号的复位控制线rst[n+1]、rst[n]、rst[n-1]以及用于输出感应像素单元和常规像素单元采集的光电信息的列信号线col[m]、col[m+1]。

在本实施例中，所述感应像素单元10用于获取光脉冲信号的强度或获取成像信息，计算光脉冲信号和起止时间。所述感应像素单元10包括第一感光元件pd0以及与第一感光元件pd0电连接的第一传输电路；所述第一传输电路还包括第一复位管rst0、第一放大管msf0、第一感应选通管sel_t0以及第二感应选通管sel_b0；具体的，所述第一复位管rst0、第一放大管msf0、第一感应选通管sel_t0以及第二感应选通管sel_b0均为晶体管；所述第一复位管rst0与所述第一放大管msf0电连接，所述第一放大管msf0与所述第一感应选通管sel_t0以及第二感应选通管sel_b0电连接。在一些实施例中，感应像素单元10只有第一感应选通管sel_t0与选通控制线电连接，无需与第二感应选通管sel_b0配合使用，在此不作限定。

具体的，第一复位管rst0的源极与第一感光元件pd0的负极电连接，形成存储节点，用以暂存转换的电信号值。所述第一复位管rst0的栅极电连接复位控制线rst[n]，第一复位管rst0的漏极与电源线vdd电连接；所述第一放大管msf0的栅极接入第一复位管rst0的源极以及第一感光元件pd0的负极之间。在本实施例中，所述第一放大管msf0的漏极与电源线vdd电连接，第一放大管msf0的源极与第一感应选通管sel_t0的漏极电连接，所述第二感应选通管sel_b0的漏极与第一感应选通管sel_t0的源极电连接；第一感应选通管sel_t0的栅极与第二感应选通管sel_b0的栅极电连接，接入同一条选通控制线sel[n+1]。

具体的，感应像素单元10进行光电转换，将接收到的光脉冲信号转化为电信号值并进行存储，等待第一传输电路读取存储的电信号值。具体的，第一感光元件pd0接收到光脉冲信号，产生光生电荷，转换为相应的电信号值进行存储。具体的，感应像素阵列检测生成的光脉冲生成的电信号值可分为一行或若干行选中读出。若分一行读出，则：感应像素单元10分布于图像传感器的不同列，将所有感应像素单元10所对应的选通控制线设为高电平，因而可以在一行读出所有感应像素单元10存储的光脉冲生成的电信号值。

优选的，常规像素单元20采集光脉冲信号，并用于感应后读出。以常规像素单元201为例，所述常规像素单元201包括第二感光元件pd1以及与第二感光元件pd1电连接的第二传输电路；所述第二传输电路还包括第二复位管rst1、第二放大管msf1、第一输出选通管sel_t1以及第二输出选通管sel_b1。具体的，所述第二复位管rst1、第二放大管msf1、第一输出选通管sel_t1以及第二输出选通管sel_b1均为晶体管；所述第二复位管rst1与所述第二放大管msf1电连接，所述第一输出选通管sel_t1、第二输出选通管sel_b1与所述第二放大管msf1电连接；所述第一输出选通管sel_t1的栅极接入一条选通控制线sel[n+1]，所述第二输出选通管sel_b1的栅极接入另一条选通控制线sel[n-1]。第二输出选通管sel_b1的源极还与列信号线col[m]电连接，输出光脉冲转换后的电信号值以进行模数信号转换。

具体的，第二复位管rst1的源极与第二感光元件pd1的负极电连接，所述第二复位管rst1的栅极电连接复位控制线rst[n]，第二复位管rst1的漏极与电源线电连接；所述第二放大管msf1的栅极接入第二复位管rst1的源极以及第二感光元件pd1的负极之间。在本实施例中，所述第二放大管msf1的漏极与电源线vdd电连接，第二放大管msf1的源极与第一输出选通管sel_t1的漏极电连接，所述第二输出选通管sel_b1的漏极与第一输出选通管sel_t1的源极电连接；第一输出选通管sel_t1的栅极接入一条选通控制线sel[n+1]，第二输出选通管sel_b1的栅极接入另一条选通控制线sel[n-1]。

在本实施例中，第二感光元件pd1用于进行光电转换，将接收到的光脉冲信号转化为电信号值并进行存储，等待第二传输线路读取存储的电信号值。具体的，第二感光元件pd1接收到光脉冲信息，产生光生电荷，等待感应像素单元10确定光脉冲信息起止时间，根据所述起止时间输出获取的光脉冲信息。进一步地，因在对常规像素单元进行光脉冲信号的电信号值采集时，也会同时将感应像素单元采集的光脉冲的电信号值读出，实现无损检测。

在本实施例中，输出单元20还包括常规像素单元202、常规像素单元203、常规像素单元204和常规像素单元205；常规像素单元202包括第二感光元件pd3以及由第二复位管rst3、第二放大管msf3、第一输出选通管sel_t3、第二输出选通管sel_b3组成的第二输出电路，常规像素单元203包括第二感光元件pd4以及由第二复位管rst4、第二放大管msf4、第一输出选通管sel_t4、第二输出选通管sel_b4组成的第二输出电路；常规像素单元204包括第二感光元件pd5以及由第二复位管rst5、第二放大管msf5、第一输出选通管sel_t5、第二输出选通管sel_b5组成的第二输出电路；常规像素单元205包括第二感光元件pd6以及由第二复位管rst6、第二放大管msf6、第一输出选通管sel_t6、第二输出选通管sel_b6组成的第二输出电路；在本实施例中，常规像素单元201和感应像素单元10位于图像传感器的第n行，常规像素单元202以及常规像素单元203位于图像传感器的第n-1行，常规像素单元204和常规像素单元205位于图像传感器的第n+1层，常规像素单元202、常规像素单元203、常规像素单元204和常规像素单元205虽与常规像素单元201位于不同行，但其工作原理相同在此不再赘述。

请参看图3，在另一实施例中，感应像素单元10的第一感应选通管sel_t0的源极接入第一放大管msf0的漏极；所述第一感应选通管sel_t0的栅极接入电源线；所述第二感应选通管sel_b0的漏极与第一放大管msf0的源极电连接；第一感应选通管sel_b0的栅极接入选通控制线sel[n+1]或选通控制线sel[n-1]。常规像素单元201的第一输出选通管sel_t1的源极接入第二放大管msf1的漏极；所述第一输出选通管sel_t1的漏极接入电源线；所述第二输出选通管sel_b1的漏极与第二放大管msf1的源极电连接；第一输出选通管sel_t1的栅极接入一条选通控制线sel[n+1]，第二输出选通管sel_b1的栅极接入另一条选通控制线sel[n-1]。

优选的，请参看图4，图像传感器还包括参考像素单元30，所述参考像素单元30包括第三感光元件pd2、第三复位管rst2、第三放大管msf2、第一参考选通管sel_t2以及第二参考选通管sel_b2，所述第三复位管rst2的栅极与电源线vdd电连接。第一参考选通管sel_t2以及第二参考选通管sel_b2分别电连接选通控制线sel[n0+1]和选通控制线sel[n0-1]。参考像素单元30可用于生成不受光脉冲信号影响的参考值，用于计算状态差值，获取光脉冲强度或获取成像信息。

在一些实施例中，图像传感器中没有设置参考像素单元，参考值可为感应像素单元10的复位值，或来自给定输入的读出电路的值，或来自图像传感器预设值,或来自于图像传感器中不受光脉冲信号影响的参考像素单元计算获得的值，如通过遮挡物遮挡常规像素单元，获得参考值。在此不对参考值的获得做限定。

请参看图5，图5为感应像素单元的部分读出时序图，在本实施例中，感应像素单元10检测到光脉冲信号时，第一感光元件pd0进行光电转换，将接收到的光脉冲信号通过光电转换转化为相应的电信号值并进行存储后，与第一传输电路的第一感应选通管sel_t0电连接的选通控制线sel[n+1]或sel[n-1]转换为高电平，此时选择读出该感应像素所存储的电信号值，但并不破坏该感应像素光电转换所得的电信号。完成电信号值的输出后，传输线sel[n+1]或sel[n-1]由高电平转换为低电平，同时，电连接参考像素单元30的选通控制线sel[n0+1]和选通控制线sel[n0-1]均转换为高电平，此时选择读出参考像素单元相应的参考值。

请参看图6，图6为本发明实施例的常规像素单元的部分读出时序图，在本实施例中，常规像素单元201在光脉冲信号结束后读出存储的电信号值，具体的，第一输出选通管sel_t1以及第二输出选通管sel_b1电连接的选通控制线sel[n+1]、选通控制线sel[n-1]转换为高电平，先读出常规像素单元20的光脉冲转化的电信号值。接着第二复位管rst1电连接的复位控制线rst[n]转换为高电平，常规像素单元处于复位状态，此时读出输出像素像素单元20的复位值。将第二感光元件pd1存储的电信号值以及其复位值发送至后续信号处理单元，在信号处理单元中，先进行信号的放大以及模数转换等，然后可进行数字信号处理。具体的，只有在选通控制线sel[n+1]和选通控制线sel[n-1]同时为高电平状态时，常规像素单元才被选通，将电信号值送至列信号线col[m]。常规像素单元20通过第一输出选通管sel_t1以及第二输出选通管sel_b1进行选通，不但避免处同一行的感应像素单元读出时常规像素单元被选通，并且避免当一路选通控制线与电源意外短接后，让整行像素单元出于选通状态，影响了整个像素阵列光脉冲信号的读取，从而提高了图像传感器的稳定性和良率。

请参看图7，图像传感器工作时，感应像素单元检测光脉冲强度的具体方法包括：

步骤s10：获取每个感应像素单元的电信号值；

步骤s11：根据所述电信号值，计算所述图像传感器的感应信号值；

具体的，所述电信号值为图像传感器的各个感应像素单元10接收到光脉冲信号并进行光电信号转换获得，所述感应信号值vsig为通过图像传感器的所有感应像素单元10的电信号值经过计算获得；在本实施例中，感应信号值vsig为图像传感器所有的感应像素单元10的电信号值的平均值。

步骤s12：获取参考值；

在本实施中，参考值vref用于与感应信号值vsig进行差值比较，进行光脉冲信号的起止和大小的判断。具体的，参考值vref可为感应像素单元10的电信号值，或来自于图像传感器中不受光脉冲信号影响的参考像素单元计算获得的值，或来自给定输入的读出电路的值，或来自图像传感器预设值。在本实施例中，参考值vref为图像传感器中不受光脉冲信号影响的参考像素单元30计算获得的参考值。

步骤s13：根据所述参考值以及所述感应信号值，计算获得第一状态差值；

具体的，将感应信号值vsig与参考值vref进行相减获得第一状态差值vdos。通过感应信号值vsig与参考值vref相减可以消除传感器的固定偏差，提供更为准确的感应结果。

步骤s14：判断所述第一状态差值是否大于第一预设差值；若所述第一状态差值大于所述第一预设差值，则执行步骤s15；否则，则返回步骤s10；

步骤s15：设定所述第一状态差值为初始差值；

具体的，当所述第一状态差值大于第一预设差值，表示光脉冲信号达到可识别的阈值，图像传感器开始获得光脉冲信号。

步骤s16：继续获取当前所述参考值以及所述感应信号值，并计算获得第二状态差值；

步骤s17：判断当前的第二状态差值与上一时刻的第二状态差值是否相等，若当前的第二状态差值与上一时刻的第二状态差值之差小于第二预设差值，则执行步骤s18，否则，则继续执行步骤s16。

步骤s18：设置当前第二状态差值为停止状态差值；

步骤s19：根据所述停止状态差值，计算光脉冲信号强度。

具体的，停止状态差值为光脉冲结束时的状态差值，可用于表征光脉冲信号强度大小，或结合所述初始差值的时间，获取光脉冲信号的成像信息。

在本实施例中，感应像素单元10输出的感应像素值与参考值计算的状态差值，用于判断光脉冲的开始和结束，光脉冲结束时读得的状态差值可以用于表征光脉冲信号强度的大小，实现对光脉冲强度的快速检测，可应用在x光的放射量检测或快速成像领域等需要快速成像的光脉冲检测领域。通过对图像传感器的感应像素单元10进行检测计算，判断光脉冲信号的存在，相对于现有的对图像传感器的所有像素单元进行判断，读取速度更快。

具体的，请参看图7，图7为本发明实施例感应像素单元的感应流程示意图。vdos为第一状态差值，vth0为第一预设差值，δvref为第二状态差值与上一时刻的第二状态差值之差，vth1为第二预设差值；可见，通过感应像素单元10获取感应信号值，当判断存在光脉冲信号，感应像素单元10周期性地检测状态差值，随着光脉冲信号的变化，状态差值也逐渐变化，因感应像素单元10在感应光脉冲信号的过程中，不读取感应像素的复位值，积累在感应像素单元中的光脉冲信号不会被破坏，光脉冲信号的状态差值也处于一个持续上升的过程。当状态差值达到停止状态差值，即当前的第二状态差值与上一周期的状态差值没有明显变化，则判断光脉冲信号的截止，进而获得光脉冲信号的起始和截止时间。

需要说明的是，在上述实施例中，复位管、输出选通管、感应选通管、参考选通管、放大管均为互补金属氧化物半导体晶体管，具体的，为nmos(n-metal-oxide-semiconductor)管，但本发明对此不作限制，在其他实施中，复位管、输出选通管、感应选通管、参考选通管、放大管还可以是pmos(positivechannelmetaloxidesemiconductor)管，本领域技术人员可以根据上述实施例对本发明进行相对于地修改、变形和替换。

本发明还提供一种，所述电子设备包括有上述实施例任意一种图像处理器，所述电子设备包括但不限于智能手机，智能相机，x光设备等，所述图像处理器在电子设备中的具体实施方式与上述图像处理器的实施例基本相同，再次不作累述。

上述实施例的图像传感器，通过设置感应像素单元，并在没有增加额外的选通信号元件，没有增加电路复杂性以及降低感光元件填充因子的情况下，由感应像素单元检测光脉冲信号，除了可以快速检测光脉冲信号，还能快速检测光脉冲强度，减少检测光脉冲信号所造成的功耗，具有节能的效果。均匀排布感应像素单元，不影响其他常规像素单元积累存储的光生电信号。同时，常规像素单元两个选通管设计，确保了在短路情况下图像传感器仍然能够正常工作。本发明的图像传感器可用于系统的快速响应，如在自动增益控制、光脉冲强度控制以及场景变化感知等，具有广泛的应用场景。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。