[发明专利]低功耗时间延时积分型 CMOS 图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及降低互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器功耗的方法，特别涉及一种降低时间延时积分（TDI）型CMOS图像传感器功耗的方法，具体讲，涉及低功耗时间延时积分型CMOS图像传感器。 

背景技术

图像传感器可将镜头获得的光信号转换成易于存储、传输和处理的电学信号。图像传感器按照工作方式可以分为面阵型和线阵型。面阵型图像传感器的工作原理是以呈二维面阵排布的像素阵列对物体进行拍摄以获取二维图像信息，而线阵型图像传感器的工作原理是以呈一维线阵排布的像素阵列通过对物体扫描拍摄的方式来获取二维图像信息。线阵型图像传感器以其特殊的工作方式被广泛应用在航拍、空间成像、机器视觉和医疗成像等众多领域。但是由于在线阵型图像传感器的像素曝光期间物体始终在移动，因此像素的曝光时间严重受限于线阵型图像传感器相对被拍摄物体的移动速度，尤其在高速运动低照度应用环境下（例如空间成像）线阵型图像传感器的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）会变得非常低。为解决SNR低的问题，有人提出了时间延时积分（Time Delay Integration，TDI）技术，其能够增加线阵图像传感器的SNR和灵敏度，它以其特殊的扫描方式，通过对同一目标进行多次曝光，实现很高的SNR和灵敏度，因此特別适用于高速运动低照度的环境下。TDI的基本原理是使用面阵排布的像素阵列以线阵扫描的方式工作，进而可实现不同行的像素对移动中的同一物体进行多次曝光，并将每次曝光结果进行累加，等效延长了像素对物体的曝光积分时间，因此可以大幅提升SNR和灵敏度。 

TDI技术最早是通过电荷耦合器件（Charge Coupled Device,CCD）图像传感器实现的，CCD图像传感器也是实现TDI技术的理想器件，它能够实现无噪声的信号累加。但是由于CCD图像传感器存在功耗大集成度低等缺点，目前其在各个领域的应用都在逐渐被CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体）图像传感器所替代。 

图1可以简单的描述TDI图像传感器的工作过程。n级TDI图像传感器一共有n行像素，每个像素在一个曝光周期内都会产生相应的信号：对于CCD型TDI传感器，像素内产生的是电荷信号；对于CMOS型TDI传感器，像素内产生的是电压信号。TDI图像传感器的工作过程如下：某一列上的第一行像素在第一个曝光周期内产生的信号并不直接输出，而是与同列第二个像素在第二个曝光周期内产生的信号相加。以此类推，TDI图像传感器最后一行（第n行）的像素产生的信号与前面n-1个信号累加后再进行读出。TDI图像传感器中，输出信号的幅度是n个像素积分电荷的累加，即相当于一个像素n倍曝光周期内所产生的信号，输出信号幅度扩大了n倍，而噪声的幅度只扩大了 倍，因此信噪比可以提高 倍。 

使用CMOS器件实现TDI功能的结构已经被提出，这些结构主要涉及数字域累加方案或模拟域累加方案。这两种结构都涉及像素内信号的读出、信号的相关双采样（CDS）和信号累加。它们的区别在于，信号累加前是否将其转换为数字量。图2和图3分别给出了模拟域累加方 案和数字域累加方案的示意图。下面以模拟域累加为例介绍TDI-CMOS图像传感器的工作原理 

图2中的像素阵列，一般采用4管（4T）有源像素阵列实现，4T像素的基本结构如图4所示，关于其组成结构和工作过程如下文描述：SEL为行选信号，RFD为复位信号，TX为传输管控制信号，FD为浮空扩散节点（floating diffusion）。在行选时间内，先将复位管打开一段时间，之后采集一次经过复位的FD电位。再将传输管打开一段时间，PD内生成的光电荷将转移进入FD，并导致FD电位的下降，将此时电位采集。两次采集到的电位做差，得到可以反映光生电荷量多少的电压，称之为信号电压。这个过程称为相关双采样(correlated double sampling,CDS)，实现该过程的电路称为CDS电路。 

经过相关双采样之后的电压，将按照一定的顺序被累加进相应的累加器中，以保证对同一物体进行曝光而产生的信号都进入同一累加器中。以4级累加的TDI-CMOS图像传感器为例描述该过程。采用沿扫描方向的行滚筒式曝光方式，像素阵列的运动如图5所示（以4级为例）。其控制时序如图6所示。在不同的时间点，各行像素采集到不同的物象点，并把信号输入至相应的累加器，累加器在完成4次累加之后，会将最终的累加结果输出至列级模数转换电路，进而将数据输出至芯片外部。上述过程在图5和图6中都进行了详细的标注。