线阵图像传感器芯片和图像传感器的制作方法

1.本发明涉及图像传感领域，具体而言，涉及一种线阵图像传感器芯片和图像传感器。


背景技术：

2.线阵图像传感器广泛应用于现代工业检测领域，其核心部件是线阵图像传感器芯片，线阵图像传感器芯片上设有一排线性排列的感光像素，感光像素曝光后将光信号转换为电信号，初步放大后进行存储，再由时序控制部控制所有像素对应的信号依次串行输出，生成一行扫描数据。被测物体快速移动配合扫描行频进行多行数据的扫描，即可生成一幅扫描图像。现有线阵图像传感器通常具有分辨率切换功能，由于感光像素只有一排，感光像素在x方向按照最高分辨率间隔对应设置x方向的尺寸，感光像素在y方向上的尺寸通常会大于x方向的尺寸，目的是增加高分辨率下每个感光像素的面积，提高感度，但是在实际扫描时，感光像素在y方向的检测尺寸超过x方向检测尺寸，即y方向会有额外的检测信息进入感光像素，y方向的检测精度没有达到最高分辨率检测精度的要求，检测并不准确。如果感光像素y方向的尺寸设置为和x方向尺寸相同，这样在高分辨率下感光像素在x方向和y方向扫描精度都能够达到最高分辨率的要求，但是当切换到低分辨率时，一排感光像素的相邻两个像素合并，这样合并后的像素的检测范围在x方向符合低分辨率检测精度的要求，但是合并后感光像素的检测范围在y方向的尺寸仍保持高分辨率下的尺寸，低分辨率下扫描会缺失一部分检测信息，因此并不符合低分辨率下y方向检测尺寸的要求，造成y方向扫描精度不高；此外，由于切换为低分辨率，每行传输的数据量减小一半，芯片行频相应提高，扫描速度会加快，要求合并后的感光像素有更高的感度，单行排列的这种方式切换为低分辨率时感度提升不够高。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种线阵图像传感器芯片，以解决现有技术中的切换扫描分辨率大小时扫描精度低问题。
4.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种线阵图像传感器芯片1，包括：感光单元101，信号存储单元102，信号传输单元103和时序控制单元104，感光单元101包括多个感光子单元，感光子单元包括n2个感光二极管，n个放大器，n-1个第一传输开关，和第二传输开关，n为大于1的整数；其中，n2个感光二极管呈n
×
n阵列排布，n个放大器分别与n
×
n阵列中的目标行的n个感光二极管连接形成n条电路，n条电路中除1条目标电路以外的n-1条电路上分别设置有n-1个第一传输开关；第二传输开关连接至对应的感光二极管，在第二传输开关闭合时，n2个感光二极管并联后接入目标电路，在第二传输开关断开时，n2个感光二极管中除目标感光二极管以外的感光二极管断开与目标电路的连接；信号存储单元102，与感光单元101连接；信号传输单元103，与信号存储单元102连接，信号传输单元103包括信号输出引脚sig；时序控制单元104，与感光单元101和信号传输单元103连接，其中，
时序控制单元104包括行启动信号引脚fs、时钟信号引脚clk、分辨率切换信号引脚mode、级联启动输入信号引脚si和级联启动输出信号引脚so。
5.进一步地，感光子单元，还包括：n个复位开关，其中，n个复位开关分别连接n个放大器与基准电压。
6.进一步地，目标感光二极管位于在目标行的首端。
7.进一步地，多个感光子单元并联连接。
8.进一步地，感光单元101包括的多个n
×
n阵列行对齐排列，且多个n
×
n阵列分别包括的多个目标行位于同一条水平线。
9.根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器，包括上述中任一项的线阵图像传感器芯片1。
10.进一步地，图像传感器还包括：基板，框架，光学透镜，光源，和插座接口；其中，光学透镜设置在线阵图像传感器芯片1的感光视窗的上方；光源设置在光学透镜的侧面；插座接口与线阵图像传感器芯片1和光源连接。
11.进一步地，图像传感器包括多个线阵图像传感器芯片1。
12.进一步地，多个线阵图像传感器芯片1线性排列。
13.进一步地，多个线阵图像传感器芯片1均包括级联启动输入信号引脚si和级联启动输出信号引脚so，多个线阵图像传感器芯片1按照线性排列的顺序级联连接，多个线阵图像传感器芯片1中的上一级芯片的级联启动输出信号引脚so与下一级芯片的级联启动输入信号引脚si连接。
14.应用本发明的技术方案，本发明的线阵图像传感器芯片1包括感光单元101，信号存储单元102，信号传输单元103和时序控制单元104，感光单元101包括多个感光子单元，感光子单元包括n2个感光二极管，n个放大器，n-1个第一传输开关，和第二传输开关，n为大于1的整数；其中，n2个感光二极管呈n
×
n阵列排布，n个放大器分别与n
×
n阵列中的目标行的n个感光二极管连接形成n条电路，n条电路中除1条目标电路以外的n-1条电路上分别设置有n-1个第一传输开关；第二传输开关连接至对应的感光二极管，在第二传输开关闭合时，n2个感光二极管并联后接入目标电路，在第二传输开关断开时，n2个感光二极管中除目标感光二极管以外的感光二极管断开与目标电路的连接；信号存储单元102，与感光单元101连接；信号传输单元103，与信号存储单元102连接，信号传输单元103包括信号输出引脚sig；时序控制单元104，与感光单元101和信号传输单元103连接，其中，时序控制单元104包括行启动信号引脚fs、时钟信号引脚clk、分辨率切换信号引脚mode、级联启动输入信号引脚si和级联启动输出信号引脚so，这样，能够实现在切换扫描分辨率大小时提高扫描精度的效果。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
16.图1示出了根据本发明的实施例提供的线阵图像传感器芯片的结构示意图；
17.图2示出了根据本发明的实施例提供的感光单元的结构示意图；
18.图3示出了根据本发明的实施例提供的高分辨率下线阵图像传感器芯片工作模式
示意图；
19.图4示出了根据本发明的实施例提供的低分辨率下线阵图像传感器芯片工作模式示意图；
20.图5示出了根据本发明的实施例提供的图像传感器芯片连接的结构示意图。
21.其中，上述附图包括以下附图标记：
22.1、线阵图像传感器芯片；101、感光单元；102、信号存储单元；103、信号传输单元；104、时序控制单元；pd、感光二极管；amp、放大器；fs、行启动信号引脚；clk、时钟信号引脚；sig、信号输出引脚；mode、分辨率切换信号引脚；si、级联启动输入信号引脚；so、级联启动输出信号引脚；sh、第一传输开关；sl、第二传输开关。
具体实施方式
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
25.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
26.线阵图像传感器芯片1中感光像素的排列取决于成像图像的分辨率的高低，一般情况下，一个感光像素感知图像得到成像图像中一个像素块，在最后得到成像图像的尺寸不变的情况下，在高分辨率模式时，有更多感光像素参与成像且感光像素感知到的图像的面积较小；而在低分辨率模式时，参与成像的感光像素较高分辨率的情况下应该成倍减少，且每一个感光像素感知到的图像面积成倍增加。例如，当分辨率为1200dpi时，一行可以有864个像素，所以要求一行排列864个感光像素，而分辨率为600dpi时，一行可以有432个像素，所以要求一行排列432个像素，由于成像图片中像素是正方形的，所以当感光像素感知图像相应的正方形面积时，图像传感器芯片的检测精度较高。
27.现有技术中一般仅仅用一排位于同一水平线上的多个感光像素构成可以切换分辨率的线阵图像传感器芯片1，会将原本形状是正方形的感光像素设置为长方形，并根据分
辨率的要求，按照平行于多个感光像素排列的水平线方向上感光像素的尺寸对多个感光像素进行排列，将平行于多个感光像素排列的水平线方向作为x方向，垂直于多个感光像素排列的水平线方向作为y方向，而在y方向上感光像素的尺寸要更大一些，这样可以增加高分辨率下每个感光像素的面积，提高感度，但是在实际扫描时，y方向上感光像素的尺寸要超过x方向上感光像素的尺寸，y方向上感光像素的感知到的面积会超过应该感知到的图像的面积，导致感光像素检测精度降低。当现有技术中采用一排正方形的感光像素构成切换分辨率的线阵图像传感器芯片1时，高分辨率模式下，每一个感光像素都可以在较高的感光精度下工作，但是低分辨率模式下，一排感光像素中相邻两个像素合并作为一个像素输出结果，此时在x方向上应该感知到的图像的尺寸是对的，但是在y方向上合并后的感光像素实际能感知到的图像的尺寸小于应该感知到的图像的尺寸，导致感光像素检测精度降低。
28.图1示出了根据本发明的实施例提供的线阵图像传感器芯片1的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种线阵图像传感器芯片1，包括：感光单元101，信号存储单元102，信号传输单元103和时序控制单元104，感光单元101包括多个感光子单元，感光子单元包括n2个感光二极管，n个放大器，n-1个第一传输开关，和第二传输开关，n为大于1的整数；其中，n2个感光二极管呈n
×
n阵列排布，n个放大器分别与n
×
n阵列中的目标行的n个感光二极管连接形成n条电路，n条电路中除1条目标电路以外的n-1条电路上分别设置有n-1个第一传输开关；第二传输开关连接至对应的感光二极管，在第二传输开关闭合时，n2个感光二极管并联后接入目标电路，在第二传输开关断开时，n2个感光二极管中除目标感光二极管以外的感光二极管断开与目标电路的连接；信号存储单元102，与感光单元101连接；信号传输单元103，与信号存储单元102连接，信号传输单元103包括信号输出引脚sig；时序控制单元104，与感光单元101和信号传输单元103连接，其中，时序控制单元104包括行启动信号引脚fs、时钟信号引脚clk、分辨率切换信号引脚mode、级联启动输入信号引脚si和级联启动输出信号引脚so。
29.本发明提供的感光像素的排布方法区别于现有技术，可以实现两组分辨率模式的切换。线阵图像传感器的感光单元101中包括多个感光子单元，在低分辨率模式下，每个感光子单元包括的多个感光二极管综合作为一个感光像素进行感知图片并输出感知结果，而在高分辨率模式下，每个感光子单元包括的目标行上的多个感光二极管分别单独作为多个感光像素进行感知图片并输出感知结果。每个感光子单元的具体结构可以为由n2个感光二极管构成的n
×
n阵列排布，n
×
n阵列排布中有一行为目标行，在高分辨率模式下，这一行上的多个感光二极管分别单独作为多个感光像素进行感知图片并输出感知结果，所以这一行上的多个感光二极管分别与多个第一传输开关连接，再分别连接至多个放大器，在多个第一传输开关均闭合的情况下，由多个放大器分别输出多个感光二极管的感知结果。而在低分辨率的模式下，每个感光子单元包括的多个感光二极管综合作为一个感光像素进行感知图片并输出感知结果，所以每个感光子单元中的多个感光二极管都会并联在一起，统一连入目标电路上的目标放大器，并由目标放大器统一输出多个感光二极管综合输出的感光结果，所以n2个感光二极管中可以有多个第二传输开关，当第二传输开关闭合时，n2个感光二极管并联在一起，当第二传输开关断开时，n2个感光二极管之间没有相互连接关系。需要说明的是，不论在低分辨率模式还是高分辨率模式，一个感光子单元都至少需要一个信号输出电路输出信号，这个信号输出电路即为目标电路，目标电路上可以没有第一传输开关，也
可以有第一传输开关。
30.进一步地，感光子单元，还包括：n个复位开关，其中，n个复位开关分别连接n个放大器与基准电压。
31.进一步地，目标感光二极管位于在目标行的首端。
32.进一步地，多个感光子单元并联连接。
33.进一步地，感光单元101包括的多个n
×
n阵列行对齐排列，且多个n
×
n阵列分别包括的多个目标行位于同一条水平线。
34.可选地，每个感光子单元中还包括可以用于对感光二极管进行复位的复位开关和基准电压。目标感光二极管可以位于目标行的首端，多个感光子单元在排列的时候，多个n
×
n阵列也每行都对齐排列，且多个n
×
n阵列中的多个目标行也对齐。
35.具体地，如图1所示，本发明提供一种线阵图像传感器芯片1功能框图，包括感光单元101，用于将光信号转换为电信号，并进行初步放大；感光单元101的x方向和y方向均按照1200dpi的分辨率间隔放置两排感光二极管，其中，感光二极管也可以被称为感光像素，因为在高分辨率下，一个感光二极管的输出值为图像中一个像素的像素值，每个感光像素大小为20um*20um，每排感光像素864个，两排共1728个感光像素；信号存储单元102，用于存储各个像素初步放大的电压信号；信号传输单元103，用于将信号存储单元102中各个像素对应的电压信号依次进行放大并从信号输出引脚sig串行输出；时序控制单元104，用于接收外部时钟信号并产生内部各开关控制时序，时序控制单元104输入信号引脚包括：级联启动输入信号引脚si，行启动信号引脚fs，时钟信号引脚clk，分辨率切换信号引脚mode，时序控制单元104输出信号引脚包括级联启动输出信号引脚so，以及内部时序所用的各开关信号。
36.图2示出了根据本发明的实施例提供的感光单元101的结构示意图，如图2所示，提供一种n为2，每个感光子单元均包括一个2
×
2的感光二极管阵列，pd_a1～pd_a864为第一排感光二极管，第一排感光二极管的奇数序号感光像素与偶数序号感光像素通过第二传输开关sl成对相连，例如pd_a1与pd_a2之间通过第二传输开关sl相连，pd_a3与pd_a4之间通过第二传输开关sl相连，直到最后pd_a863与pd_a864之间通过第二传输开关sl相连，当第二传输开关sl闭合且第一传输开关sh断开时，四个感光像素并联接入目标电路中，并与初始放大器amp1连接。pd_b1～pd_b864为第二排感光像素，第二排感光像素分别通过第二传输开关sl与第一排感光像素相连。amp1～amp864为初始放大器，奇数序号的初始放大器与第一排奇数序号的感光像素直接相连，偶数序号的初始放大器通过第一传输开关sh与第一排偶数序号的感光像素相连，当第一传输开关sh闭合且第二传输开关sl断开时，pd_a1与pd_a2两个感光二极管分别与初始放大器amp1和amp2连接。所有初始放大器的输入端通过复位开关sr与参考电压vref相连，用于初始化各感光像素。
37.线阵图像传感器芯片1的工作流程如下：当行启动信号引脚fs中的信号到来时，时序控制单元104根据分辨率切换信号引脚mode中的信号，判断芯片的工作模式。当分辨率切换信号引脚mode中的信号为高电平时，芯片工作在1200dpi模式下，此时第二传输开关sl断开，第一传输开关sh接通，第一排所有感光二极管分别独立连接对应初始放大器，第二排感光像素与初始放大器之间断开连接。图3示出了根据本发明的实施例提供的高分辨率下线阵图像传感器芯片1工作模式示意图，如图3所示，高分辨率模式下，仅第一排感光像素的信号为有效输出，每个感光像素尺寸在x方向和y方向满足1200dpi下检测范围的要求。时序控
制单元104控制复位开关sr闭合后断开，初始化第一排所有感光像素，接着第一排所有感光像素开始曝光并经过初始放大器将信号进行初步放大，并存储于信号存储单元102，然后时序控制单元104控制输出部依次将所有864个感光像素信号从sig端口串行放大输出。当分辨率切换信号引脚mode中的信号为低电平时，芯片工作在600dpi模式下，此时第二传输开关sl接通，第一传输开关sh断开，每相邻4个感光像素连接在一起，并对应与奇数序号初始放大器相连，即pd_a1，pd_a2，pd_b1，pd_b2感光像素连接在一起，信号输出至初始放大器amp1，pd_a3，pd_a4，pd_b3，pd_b4感光像素连接在一起，信号输出至初始放大器amp3，一直到最后pd_a863，pd_a864，pd_b863，pd_b864感光像素连接在一起，信号输出至初始放大器amp863。图4示出了根据本发明的实施例提供的低分辨率下线阵图像传感器芯片1工作模式示意图，如图4所示，低分辨率模式下，相邻4个像素合并成一个像素，合并后的像素在x方向y方向检测尺寸均符合低分辨率下的检测要求。时序控制部控制复位开关sr闭合后断开，初始化所有感光像素，接着所有感光像素开始曝光，相邻4个感光像素的曝光输出同时经过与其连接的奇数初始放大器amp1、amp3、amp5
……
amp863进行放大，并存储于信号存储单元102，然后时序控制单元104控制信号输出单元将432个存储信号从sig端口依次串行输出。
38.该具体实施例中，高分辨率1200dpi下，由于单个感光像素为20um*20um的正方形，其在x方向y方向检测尺寸满足该分辨率下的要求，低分辨率600dpi下，相邻4个像素合并为一个像素进行检测，合并后的像素检测范围在x方向y方向检测尺寸能够满足600dpi分辨率下检测尺寸的要求，不会丢失扫描信息，并且4个感光像素同时曝光叠加输出，其感度提高至高分辨率下单个感光像素的4倍，满足快速扫描的要求。
39.本发明的线阵图像传感器芯片1包括感光单元101，信号存储单元102，信号传输单元103和时序控制单元104，感光单元101包括多个感光子单元，感光子单元包括n2个感光二极管，n个放大器，n-1个第一传输开关，和第二传输开关，n为大于1的整数；其中，n2个感光二极管呈n
×
n阵列排布，n个放大器分别与n
×
n阵列中的目标行的n个感光二极管连接形成n条电路，n条电路中除1条目标电路以外的n-1条电路上分别设置有n-1个第一传输开关；第二传输开关连接至对应的感光二极管，在第二传输开关闭合时，n2个感光二极管并联后接入目标电路，在第二传输开关断开时，n2个感光二极管中除目标感光二极管以外的感光二极管断开与目标电路的连接；信号存储单元102，与感光单元101连接；信号传输单元103，与信号存储单元102连接，信号传输单元103包括信号输出引脚sig；时序控制单元104，与感光单元101和信号传输单元103连接，其中，时序控制单元104包括行启动信号引脚fs、时钟信号引脚clk、分辨率切换信号引脚mode、级联启动输入信号引脚si和级联启动输出信号引脚so，这样，能够实现在切换扫描分辨率大小时提高扫描精度的效果。
40.根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器，包括上述中任一项的线阵图像传感器芯片1。
41.进一步地，图像传感器还包括：基板，框架，光学透镜，光源，和插座接口；其中，光学透镜设置在线阵图像传感器芯片1的感光视窗的上方；光源设置在光学透镜的侧面；插座接口与线阵图像传感器芯片1和光源连接。
42.进一步地，图像传感器包括多个线阵图像传感器芯片1。
43.进一步地，多个线阵图像传感器芯片1线性排列。
44.进一步地，多个线阵图像传感器芯片1均包括级联启动输入信号引脚si和级联启
动输出信号引脚so，多个线阵图像传感器芯片1按照线性排列的顺序级联连接，多个线阵图像传感器芯片1中的上一级芯片的级联启动输出信号引脚so与下一级芯片的级联启动输入信号引脚si连接。
45.图5示出了根据本发明的实施例提供的图像传感器芯片连接的结构示意图。图像传感器包括起支撑作用的框架，框架内设有光学透镜，光学透镜的侧面设有光源，透镜的下方设有基板，基板可以为pcb基板，基板上设有线阵图像传感器芯片1和插座接口，线阵图像传感器芯片1线性排列在透镜的正下方。线阵图像传感器芯片1有感光视窗，感光视窗是感光的主要部分，光学透镜需要设置在线阵图像传感器芯片1的感光视窗的上方。如图5所示，基板上设有3个线阵图像传感器芯片1，图像传感器芯片线性排列，3个芯片的行启动信号引脚fs、时钟信号引脚clk、分辨率切换信号引脚mode、信号输出引脚sig分别对应相连，第一个芯片的级联启动输入信号引脚si悬空，级联启动输出信号引脚so连接第二个芯片的级联启动输入信号引脚si，第二个芯片的级联启动输出信号引脚so连接第三个芯片的级联启动输入信号引脚si，第三个芯片的级联启动输出信号引脚so悬空。该实施例中，当行启动信号引脚fs中的信号到来时，时序控制对应根据分辨率切换信号引脚mode中的信号，判断所有芯片的工作模式，当分辨率切换信号引脚mode中的信号为高电平时，三个芯片都工作在1200dpi模式下，所有三个芯片的第一排共2592个感光像素为有效感光像素，所有感光像素信号在时序部控制下初始化、曝光、转存，然后由输出部依次将三个芯片共2592个感光像素从信号输出引脚sig串行输出。当分辨率切换信号引脚mode中的信号为低电平时，三个芯片都工作在600dpi模式下，所有三个芯片相邻4像素合并后共1296个感光像素为有效感光像素，所有感光像素信号在时序部控制下初始化、曝光、存储，然后由输出部依次将三个芯片共1296个感光像素的信号从信号输出引脚sig串行输出。该实施例的图像传感器，在高分辨率和低分辨率下，其对应的有效感光像素尺寸符合对应分辨率下的尺寸要求，检测精度高，且低分辨率下感度为高分辨率下的4倍，满足低分辨率下高速扫描的需求。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
47.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
48.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
49.以上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。