[发明专利]互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种被设计为通过进行扫描来捕捉图像的线性图像传感器，且具体地，涉及一种时间延迟积分(Time Delay Integration，TDI)传感器。

背景技术

例如，在Michael G.Farrier等人的题目为“A Large Area TDI Image Sensor for Low Light Level Imaging”-IEEE Journal of Solid-State Circuits，第SC-15卷、第4号、1980年8月的文章中描述了TDI图像传感器的原理。

TDI传感器一般用于捕捉以高速移动且在较差照明条件下观测的对象的图像。它一般使用CCD(电荷耦合器件)技术来实现，该CCD技术迄今为止已经使得能够在灵敏度方面获得最佳的性能。

图1示意性地表示了如在上述文章中描述的CCD技术中的TDI传感器。它包括光敏站点(photosensitive site)或光电站点(photosite)10的阵列，如所表示的，其行一般比列长得多。在上述文章的示例中，行包括1028个光电站点，而列仅包括128个光电站点。针对经由卫星进行的地球摄影，行可以包括大约12,000个光电站点，并且该阵列包括几十行。

与要捕捉其图像的对象的运动垂直地安排阵列的行。通过下降箭头来表示此图像相对于该传感器的运动。这些箭头还对应于与图像的运动同步的、CCD寄存器中电荷的移动。

在与图像的速度兼容的曝光时间期间，每行捕捉对象的对应切片(slice)。这导致了负电荷(电子)在该行的光电站点中的积累。

当将由行i捕捉的图像的切片移动到行i+1的电平时，在行i中积累的电荷转移到行i+1，该行i+1在新的曝光时间期间，继续积累针对同一切片的电荷。因此，从一行到下一行的电荷转移与图像的运动同步地发生。

在每个转移周期中，阵列的最后一行因而包含了由所有行针对同一切片所积累的电荷的总和。因此，在理论中，该传感器的灵敏度随行数增加。

在每个电荷转移和曝光周期的结束处，阵列最后一行的电荷被转移到移位寄存器12中，其目的在于读取最后一行的数据。在该行的结束处，逐个光电站点地将在该寄存器的各光电站点中存储的电荷移位到电荷-电压转换器14，其中可以通过处理电路(一般，该处理电路在该传感器外部)来收集与每个光电站点的总电荷对应的电压。

由于得益于CMOS技术而导致CCD技术越来越少地用于图像传感器，所以针对TDI传感器来设想了CMOS技术的使用。

Gerald Lepage、Jan Bogaerts和Guy Meynants的题目为“Time-Delay-Integration Architectures in CMOS Image Sensors”-IEEE Transactions on Electron Devices、第56卷、第11号、2009年11月的文章描述了用于借助于CMOS图像传感器来获得TDI功能的解决方案。

在CMOS图像传感器中，也以像素电平处的电荷的形式来捕捉光。然而，由于每个像素具有其自己的电压读取电路，所以电荷不能从一个像素转移到另一个像素。

图2示意性地表示了在Lepage等人的这篇文章中设想的架构。N×M个像素Px的阵列10′与相同尺寸和配置的存储单元∑的阵列16相关联(这里，N×M＝5×5)。

原则上，像素阵列10′按照与图像切片扫描像素各行的间距(pitch)所花费的时间(称为“线时间”T_L)对应的速率来拍摄视图。因而，在N个线时间之后，像素阵列的N行中的每一行将已经捕捉了同一图像切片。存储器16的每一行临时地与图像的同一切片相关联。在其中积累了所有像素行针对此切片所记录的亮度电平(即，信号电平)。

一旦已经针对该切片积累了所述电平，就对存储器行进行读取、重置，并且按照循环的方式来将该存储器行与新的图像切片相关联。

因而，观察到，必须在每个线时间执行像素阵列的所有行的积累。

然而，在CCD技术中，亮度电平积累操作对应于简单的电荷转移，在CMOS技术中，这些操作显著地更加复杂。它们涉及对像素读取总线的多路复用操作、模数转换、加法操作、和存储器访问操作。这导致在CMOS技术中难以实现与CCD技术中相同的视图捕捉速率(或线时间T_L)。因此，必须将按照行数的像素阵列的分辨率调整为所设想的最小线时间，并且调整为所期望的像素间距。