[发明专利]CMOS TDI图像传感器及其电荷转移控制方法

说明书

技术领域

本发明属于TDI图像传感器技术领域，涉及一种CMOS TDI图像传感器及其电荷转移控制方法。

背景技术

时间延时积分(Time Delay Integration,简称TDI)是一种可以在成像载体或被测物体快速移动中获得高信噪比图像的传感器技术，它是线扫图像传感器（如图1所示）的一种演变。线扫图像传感器工作原理是当物体相对运动时，该传感器进行连续曝光，并对每次曝光产生的信号进行转移、存储，在后期拼接成二维图像。但是，如果物体高速运动，每个像素相应的曝光时间就会缩短，这样每个像素所接受到的光子数就会减少，从而导致图像的信噪比（SNR）降低，图像质量变差。

TDI成像利用被摄运动物体在图像传感器二维阵列平面进行相对空间移动的特点，对物体在图像传感器上所经过的像素进行逐一曝光，并将每次的曝光的结果进行累加，进而满足高速运动中低曝光时间对成像所带来的限制，其从而达到延长等效曝光时间来增加图像信噪比的目的。TDI成像系统示意图如图2所示。

TDI图像传感器工作原理如图3所示，假设在t1时间段，物体的A区域运动到像素3,1和4,1的成像范围，像素进行曝光。在t2时间段，A区域运动到像素3,2和4,2的成像范围，这两个像素进行曝光，同时在t1时间段像素3,1和4,1的曝光结果会叠加到像素3,2和4,2的曝光结果上。以此类推，理论上如果该TDI图像传感器在垂直方向上的行数为N，物体A区域的曝光时间可以比同等条件下的线扫图像传感器增加N倍，相应的图像信噪比可以提升倍。

由于TDI芯片的工作方式和CCD器件的成像及电荷转移机理完全一致，并且CCD的电荷转移和累加并不引入噪声。因此一直以来TDI芯片都采用CCD工艺制造。但是CCD由于其工艺限制，无法兼容大规模控制电路，因此CCD TDI的功能较为单一，无法实现例如像素合并、模数转换、信号处理等功能，其灵活性和通用性较差。

目前常用的CMOS TDI图像传感器均是采用光电二极管作为感光单元，在光电二极管曝光后，将每行曝光结果在以电压（或部分电荷和部分电压）的形式叠加到下一行，在最后一行所有叠加的电荷由读出电路读出。通常的读出电路由源级跟随器组成的电荷放大电路和开关电容放大电路构成。其中电荷放大电路将像素曝光产生的电荷信息进行放大，这些放大后的电荷信息储存在电容上转变为电压信号，之后再由开关电容放大电路将电压信号放大输出。这种图像传感器最大的缺点是电压相加要通过电路完成，这样每次相加就会引入新的电路噪声，降低图像质量。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是在CMOS工艺下提供一种在推扫成像过程中将每次曝光结果的累加和转移全部通过电荷来完成，图像信噪比高的CMOS TDI图像传感器。

为了解决上述技术问题，本发明的CMOS  TDI图像传感器包括基板，制作于基板上的N列半导体带，制作于基板上并将各列半导体带隔离的绝缘隔离带；M行多晶硅栅极，时序产生电路，读出电路；所述M行多晶硅栅极制作于半导体带和隔离带上，且多晶硅栅极与半导体带之间由绝缘介质隔离；每个多晶硅栅极与半导体带交叠的部分及两者中间的绝缘介质构成一个电荷收集单元，每列半导体带整体构成一个电荷转移通道；M行多晶硅栅极分别与时序产生电路连接，N列半导体带与读出电路连接。

当物体移动时，由于光电效应，曝光区域的半导体带部分（即介于多晶硅栅极之间下方的半导体区域）产生曝光电荷。通过时序产生电路控制多晶硅栅极上的高低电平，可以将半导体带曝光产生的电荷收集到相应多晶硅栅极的下方。随着被摄物体相对移动，通过时序产生电路控制各行多晶硅栅极信号高低电平的变化，可以使曝光电荷移动并累加。最后通过电荷转移通道将累加的电荷由读出电路处理后输出。在这个过程中，每次曝光结果的收集、累加和转移全部通过电荷来完成，由于电荷耦合的特性，不会由于电荷累加而产生噪声，图像信噪比高。

本发明还包括开关网络；所述开关网络由连接于各列半导体带输出之间的开关构成。

通过时序产生电路控制多晶硅栅极信号高低电平的变化和开关网络各列开关的通断，可以灵活调节电荷收集单元的合并数量（即电荷收集区域的面积）和电荷转移速度。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种CMOS TDI图像传感器电荷的转移控制和读出方法。

为了解决上述技术问题，本发明的CMOS TDI图像传感器电荷的转移控制和读出方法如下：