[发明专利]具有高视频捕获速率的CMOS技术中的图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种设计为通过扫描来捕获图像的线性图像传感器，特别涉及时间延迟积分(TDI)传感器。

背景技术

在例如Michael G.Farrier等的标题为“A Large Area TDI Image Sensor for Low Light Level Imaging”-IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.SC-15，No.4，1980年8月的文章中，描述了TDI图像传感器的原理。

TDI传感器通常用于捕获以高速移动并且在弱照明条件下观察的物体的图像。其通常采用CCD(电荷耦合器件)技术来实现，CCD技术目前为止使得能够在灵敏度方面获得最好的性能。

图1示例性地表示如在上文所提到的文章中描述的CCD技术中的TDI传感器。其包括光敏点或像点(photosite)的矩阵10，如所示的，它的行比列长得多。在上文所提到的文章的例子中，行包含1028个像点，而列仅包含128个像点。对于经由卫星的地面摄影，行可包含大约12000个像点，并且矩阵包含数十行。

矩阵的行被布置为垂直于要被捕获图像的物体的运动。该图像相对于传感器的运动用向下的箭头表示。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。

在与图像速度匹配的曝光时间期间，每一行捕获物体的相应切片(slice)。这导致在该行的像点中累加负电荷(电子)。

当由行i捕获的图像切片移动到行i+1的水平(level)时，行i中累加的电荷转移到行i+1，其在新的曝光时间期间继续对于同一切片累加电荷。因此，与图像运动同步地发生从一行到下一行的电荷转移。

因此，在每个转移周期，矩阵的最后一行包含由所有的行对于一个并且相同的切片累加的电荷的总和。因此理论上，传感器的灵敏度要乘以行的数目。

在每个电荷转移和曝光周期的最后，矩阵的最后一行的电荷被转移至移位寄存器12，其目的是读取最后一行的数据。存储在该寄存器的像点中的电荷被逐像点地移至位于行末端的电荷-电压转换器14，在那里对应于每个像点的总电荷的电压由通常外置于该传感器的处理电路收集。

得益于CMOS技术，CCD技术越来越少地应用于图像传感器，CMOS技术被设想用于TDI传感器。

在Gerald Lepage，Jan Bogaerts和Guy Meynants的标题为“Time-Delay-Integration Architectures in CMOS Image Sensors”-IEEE Transactions on Electron Devices，vol.56，No.11，2009年11月的文章中，描述了通过CMOS图像传感器获得TDI功能的解决方案。

在CMOS图像传感器中，同样在像素级上以电荷形式捕获光。然而，由于每个像素配备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像素。

图2示意性地示出了Lepage等在该文章中设想的结构。N×M个像素Px的矩阵10′与具有相同尺寸和配置的存储单元∑的矩阵16相关联(此处N×M＝5×5)。

原则上，像素矩阵10′以与图像切片扫描像素行的间距所花的时间(称作“线时间”T_L)相对应的速率拍摄图片。因此，在N个线时间后，像素矩阵的N行中的每行将捕获到相同的图像切片。存储器16的每行暂时与图片的相同切片关联。由像素的所有行为该切片记录的亮度电平(即信号电平)在其中累加。一旦已经对于切片累加了电平，就读取、重置存储器行，并以循环的方式将该存储器行与新图像切片相关联。

因此观察到，像素矩阵的所有行的累加必须在每一个线时间进行。

然而在CCD技术中，亮度电平累加操作对应于简单的电荷转移，这些操作在CMOS技术中显著地更加复杂。它们包括在像素读取总线上的复用操作、模数转换、加法操作以及存储器存取操作。这导致了在CMOS技术中获得与CCD技术中相同的图片捕获速率(或线时间T_L)的困难。因此，以行数表示的像素矩阵的分辨率必须调整至设想的最小线时间和期望的像素间距。

在某些应用中，特别是如在上面所提到的Lepage等的文章中所描述的，每个像素在运动方向被细分，以提高图像运动调制传递函数(MTF)，图像运动调制传递函数代表再现的图像的锐度。这包括增加像素的行数，同时减小间距以保持传感器的大小。时间约束(temporal constraint)随细分因子的平方增大。