[发明专利]提高图像传感器模拟域累加器累加效果的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计领域，特别涉及提高图像传感器模拟域累加器累加效果的方法。

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，其中线阵型图像传感器的工作方式参考图1。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。目前TDI技术多应用在CCD图像传感器中，普遍采用的CCD-TDI图像传感器的结构类似一个长方形的面阵CCD图像传感器，但是其以线扫的方式工作，如图2所示，CCD-TDI图像传感器的工作过程如下：n级CCD-TDI图像传感器一共有n行像素，每一列上的第一行像素在第一个渡越时间内收集到的电荷并不直接输出，而是与同列第二个像素在第二个渡越时间内收集到的电荷相加，以此类推CCD-TDI图像传感器最后一行(第n行)的像素收集到的电荷与前面n-1次收集到的电荷累加后再按照普通线阵CCD器件的输出方式进行读出。在CCD-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倍渡越时间内所收集到的电荷，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。

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。在现有技术中，有人提出通过在CMOS图像传感器内部集成模拟信号累加器的方法来实现TDI技术，即像素输出的模拟信号先进入模拟信号累加器中完成对相同曝光信号的累加，然后将完成累加的模拟信号送入ADC(Analog to Digital Converter,模拟数字转换器)进行量化输出。但是模拟信号加法器本身也会在模拟信号累加过程中引入较大噪声，因此很难实现较高的TDI级数，且信噪比提升幅度也会随级数的增加偏离理论值。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在大幅度增加高级数模拟域CMOS-TDI图像传感器的等效累加级数及信噪比提升幅度。为此，本发明采用的技术方案是，提高图像传感器模拟域累加器累加效果的方法，利用n行×m列的像素阵列、两步式模拟域累加器、列并行ADC、水平移位寄存器实现，采用欠采样率为(n-1)/n的逆序滚筒式曝光，具体实现为在一个渡越时间内从第n行像素到第2行像素逐次开始曝光，在下一个渡越时间开始时，第1行像素接着曝光，然后，再从第n行像素开始曝光，这样在一个渡越时间内n行像素会输出(n-1)个数据。