CN102271227A - 互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器 - Google Patents

互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN102271227A
CN102271227A CN2011101470867A CN201110147086A CN102271227A CN 102271227 A CN102271227 A CN 102271227A CN 2011101470867 A CN2011101470867 A CN 2011101470867A CN 201110147086 A CN201110147086 A CN 201110147086A CN 102271227 A CN102271227 A CN 102271227A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pixel
row
light
sensitive element
memory node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2011101470867A
Other languages
English (en)
Inventor
贝诺伊特.吉法德
伊万.卡佐克斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of CN102271227A publication Critical patent/CN102271227A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N3/00—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages
    • H04N3/10—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
    • H04N3/14—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices
    • H04N3/15—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices for picture signal generation
    • H04N3/1525—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices for picture signal generation with charge transfer within the image-sensor, e.g. time delay and integration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/40—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled
    • H04N25/46—Extracting pixel data from image sensors by controlling scanning circuits, e.g. by modifying the number of pixels sampled or to be sampled by combining or binning pixels
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/711—Time delay and integration [TDI] registers; TDI shift registers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/768—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors for time delay and integration [TDI]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N3/00—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages
    • H04N3/10—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
    • H04N3/14—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices
    • H04N3/15—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices for picture signal generation
    • H04N3/155—Control of the image-sensor operation, e.g. image processing within the image-sensor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Facsimile Heads (AREA)

Abstract

互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器。一种时间延迟积分图像传感器，包括按行和列组织的像素(Px)的阵列。每个像素包括：第一光敏元件(D1)；存储节点(A、C2)；以及第一转移元件(TGM)，连接在该第一光敏元件(D1)和该存储节点(A)之间。每个像素(Px)还包括：第二光敏元件(D1′)；第二转移元件(TGH)，连接在该第二光敏元件(D1′)和该存储节点(A)之间；以及第三转移元件(TGB)，连接在该存储节点(A)和该列的相邻像素的第二光敏元件(D1′)之间。控制电路(15)被配置为同时地将该第一和第二转移元件(TGM、TGH)命令为导通状态并且将该第三转移元件(TGB)命令为截止状态，并且在不同阶段中，配置为同时地将该第一和第三转移元件(TGM、TGB)命令为导通状态并且将该第二转移元件(TGH)命令为截止状态。

Description

互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器
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 Sensorfor 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”-IEEETransactions 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”TL)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TL)。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。
在一些应用中，试图改善被称作图像运动调制转移函数(MTF)的内容，该调制转移函数(MTF)是表现所再现图像的锐度(sharpness)的参数之一。低运动MTF一般导致模糊的图像。这种分辨率的损失是由于以下事实而造成的，即在线时间期间，图像切片在固定的像素行上移动。
如Lepage等人的上述文章所描述的，一种解决方案在于在运动的方向中将每个像素细分为二。这涉及在减少间距的同时增加像素的行数，以保持传感器的维度(dimension)。当将像素细分为两个相等的部分时，运动MTF从0.64前进到0.9。另一方面，时间约束按照细分因子的平方而增加。因而，它们被乘以4。
发明内容
观察到需要提供一种具有TDI功能的CMOS图像传感器，使得能够改善图像运动MTF，而不增加时间约束。
倾向于通过提供一种时间延迟积分图像传感器来满足此需求，该时间延迟积分图像传感器包括按行和列组织的像素的阵列。每个像素包括：第一光敏元件；存储节点；以及第一转移元件，连接在该第一光敏元件和该存储节点之间。每个像素还包括：第二光敏元件；第二转移元件，连接在该第二光敏元件和该存储节点之间；以及第三转移元件，连接在该存储节点和该列的相邻像素的第二光敏元件之间。该图像传感器包括：控制电路，被配置为同时地将该第一和第二转移元件命令为导通状态并且将该第三转移元件命令为截止状态，并且在不同阶段中，被配置为同时地将该第一和第三转移元件命令为导通状态并且将该第二转移元件命令为截止状态。
还提供了一种用于管理时间延迟积分图像传感器的方法。
针对列的每个像素，该方法相继地包括以下步骤：在前半时段期间曝光该像素的第一和第二光敏元件；将该第一光敏元件的亮度电平转移到该像素的存储节点，并且转移在该像素的存储节点中第二光敏元件的亮度电平；在后半时段期间曝光该像素的第一和第二光敏元件；将该第一光敏元件的亮度电平转移到该像素的存储节点，并且将该第二光敏元件的亮度电平转移到该列的相邻像素的存储节点；以及读取在该像素的存储节点中积累的亮度电平。
附图说明
根据仅仅为了非限制性示例的目的而给出的并且借助于附图而图示的本发明具体实施例的以下描述，其他优点和特征将变得更加清楚明显，在所述附图中：
-在上面描述的图1示意性地表示了CCD技术中的传统TDI图像传感器；
-在上面描述的图2示意性地表示了CMOS技术中的传统TDI传感器；
-图3表示了CMOS传感器的四晶体管像素；
-图4示意性地表示了使得能够改善图像运动MTF的CMOS TDI传感器的列；
-图5到图8表示了图4的像素的操作步骤；以及
-图9A到图9H是图示了图4的传感器的像素的全局操作的时序图。
具体实施方式
图3以实线表示了称为“4T”的传统CMOS像素。其后，将采用这种类型的像素来减少TDI传感器中的运动影响。它包括具有本征电容器C1或积分电容器的光电二极管D1，所述电容器使得能够积累由触发(strike)该像素的光所生成的电荷。转移晶体管TG将光电二极管D1连接到跟随器(follower)晶体管M2的栅极。晶体管M2的栅极电容器以及连接到同一节点A的其他组件的电容器形成缓冲电容器C2。选择晶体管RS将跟随器晶体管M2的源极连接到列总线BC。重置晶体管RST将电容器C2连接到正电源线Vdd。为了方便的原因，在下文中，晶体管的控制信号具有与所述晶体管相同的名称。
此像素的操作简要地如下所述。电容器C1对由触发光电二极管D1的光所生成的电荷进行积分。在曝光结束之前，短暂地(briefly)激活晶体管RST以重置缓冲电容器C2。在曝光结束时，短暂地激活晶体管TG，以将电荷从电容器C1转移到缓冲电容器C2。如果光电二极管D1是针扎(pinned)光电二极管，则电荷的转移是全部的，这还导致了通过晶体管TG的激活而重置电容器C1。
因而，在每个曝光阶段期间，在缓冲电容器C2中存储与先前曝光对应的电压电平。可以通过在被晶体管RST重置之前激活选择晶体管RS，来在任何时间处向总线BC转移表示亮度电平的该电压电平。
在根据图3的像素阵列中，列的像素共享同一总线BC。一行接一行地读取列的像素，并且经由列总线BC来将它们的信号传送到存储单元∑的阵列，以进行存储(图2)。借助于信号RS来选择行。
用于使读取噪声最小化的相对低值的电容器C2对噪声电平(称为参考电平)施加重置，该噪声电平被添加到从电容器C1转移的信号电平(即，期望电平)。为了衰减此噪声的影响，一般执行相关双采样(CDS)，即首先对像素的参考电平进行采样，并然后在从电容器C1转移之后从所采样的信号电平中减去该参考电平。一般在外部存储器(未表示)中做出该差分。
可以通过添加虚线中的元件(即，通过第二转移晶体管TG′而连接到节点A的第二光电二极管D1b)而从图3的像素中推导出如在美国专利申请US2006/0256221中描述的、称为“共享像素”的另一类型的像素。此结构的目的在于，通过在若干光电二极管之间共享读取电路来减少像素的空间占用。在如前所述的阶段中，向总线BC单独地转移每个光电二极管的电平。因而，在这两个阶段中的每一个阶段的开始对电容器C2进行重置，并且如在简单的4T像素中一样，该电容器C2不能用于在当前图像的获取期间存储先前图像的信息。
图4表示了为了改善运动MTF而修改的像素Px的列。
为了改善运动MTF，在每个像素中提供了两个光电二极管。与图像切片相关联的电荷的积分不再在单个光电二极管中在线时间期间发生，而是在两个不同的光电二极管中在两个半线时间期间发生。这意味着，通过合适地组织这些光电二极管的电荷转移，可以以更高的保真度与图像的滚动(scoll)同步地进行电荷的积分，由此将运动影响(或“移动影响”)限制为半线时间(或像素半间距)。
每个像素Px在结构上看起来像共享像素一样。它包括按列方向对齐的两个光敏元件D1和D1′。所述光电二极管优选地是相同维度的针扎光电二极管。提供有积分电容器C1的光电二极管D1经由转移元件TGM(例如，MOS晶体管)连接到存储节点A(存储电容器C2)。按照相似的方式，第二光电二极管D1′及其积分电容器C1′经由第二转移晶体管TGH连接到节点A。
与包括传统共享像素的列不同，每个像素包括第三转移晶体管TGB，该第三转移晶体管TGB将存储电容器C2连接到该列的相邻像素的光电二极管D1′。在图4中，行n+1的像素Px(Pxn+1)的电容器C2连接到行n的像素(Pxn)的光电二极管D1′，行n的像素的电容器C2连接到行n-1的像素的光电二极管D1′，等等。
如在图3的电路中一样，每个像素提供有跟随器晶体管M2、连接到电源电压Vdd以重置电容器C2的晶体管RST、和用于将亮度电平转移到读取总线L的、这里标记为CS的选择晶体管。将此信号路由到位于读取总线L一端的模数转换器(未表示)。
在此配置中，读取总线L对于该行的所有像素是公共的，并且每行仅存在一个模数转换器。该列的晶体管CS的栅极进一步连接到也标记为CS的同一控制线。此控制线CS使得能够选择像素的一整列，以进行读取。
控制电路15控制图4的每个像素Px的晶体管TGH、TGM和TGB。
图5到图8图示了根据图4的像素的列的操作步骤。相继的图像切片18、20按图5中指示的箭头22的方向沿着各像素的列滚动。每个图像切片被划分为两半，以更佳地图示切片的滚动与传感器的操作阶段之间的同步。在下文中，结合任何两个连续像素Pxn+1和Pxn来描述操作。
图5示意性地表示了在与光电二极管前面的图像半切片的滚动时间对应的第一积分时段T1期间、图像相对于像素的位置。将像素Pxn的光电二极管D1和D1′曝光到图像切片18，并且将像素Pxn+1的光电二极管D1和D1′曝光到图像切片20。在此时段T1期间，每个像素的积分电容器C1和C1′对与每个切片对应的电荷进行积累。所有的晶体管是截止的。
在图6中，在积分时段T1的结束时，晶体管TGH和TGM导通，并且将在该像素的电容器C1和C1′中存储的电荷转移到像素的电容器C2。像素Pxn+1的电容器C2接收与切片20的两半对应的电荷，并且像素Pxn的电容器C2接收与切片18的两半对应的电荷。以虚线表示的像素的其他元件被去激活。在时段T1期间，图像切片18和20已经近似地移动了像素间距的一半。
图7示意性地表示了第二积分时段T2期间图像的位置。图像切片20横跨两个相邻像素。像素Pxn的光电二极管D1′捕捉切片20的底部，而像素Pxn+1的光电二极管D1捕捉切片20的顶部。因此，此时段对应于图像切片通过一个像素到另一像素。所有的晶体管是截止的。在时段T2期间，图像切片18和20也将移动半间距，由此标记了线时间的结束。
在图8中，在积分时段T2结束时，晶体管TGB和TGM被激活。在此配置中，将与在时段T2期间积分的切片20的两半对应的电荷再次转移到像素Pxn+1的电容器C2，在那里它们与在图6的步骤中针对同一切片先前存储在电容器C2中的电荷进行积累。
在已经激活晶体管TGB和TGM之后，像素Pxn+1的电容器C2针对切片20的两个连续位置对亮度电平进行分组，而像素Pxn的电容器C2针对切片18的两个连续位置对亮度电平进行分组。在时段T2结束时，可以借助于晶体管M2和CS来从所述像素中提取这些所积累的亮度电平。换言之，每个像素包含必须简单地以单个频率读取的两个分辨率数据。这使得能够改善运动MTF，而没有增加用于读取数据的时间约束。
图9A到图9H是总结了根据图4的像素的列的全局操作的时序图。图9A、图9B、图9D到图9G表示晶体管RST、CS、TGH、TGM、TGB的控制信号(或状态)。图9C和图9H表示用于在经由总线L进行读取之后对数据进行处理的模数转换器的动作。
相关双采样用于避免重置噪声。与用于读取(所积累的信号)亮度电平SIG的激活分离地表示用于读取参考电平REF的选择晶体管CS的激活(图9B、图9G)。类似地，与电平SIG的转换分离地表示电平REF的转换(图9C、图9H)。
在转移晶体管TGH或TGB的两次相继激活之间定义一般与线时间TL对应的切片的曝光时间Tint。积分时段T1和T2(T1＝T2＝Tint/2)在这个时间期间发生。该信号的周期性反映了该图像的连续切片的处理。
如结合图5所描述的，在时段T1期间，首先一个像素的光电二极管D1和D1′对图像切片进行扫描。在将这样获得的电荷转移到电容器C2之前，通过激活晶体管RST来重置电容器C2(图9A)。在电容器C2重置之后不久，激活晶体管CS(图9B)，以读取并然后转换参考电平REF(图9C)。由于转换时间TC比信号CS的脉冲的持续时间更长，所以在图9C中通过粗线来表示该转换时间TC。
一旦已经将参考电平转移到转换器，就激活晶体管TGH和TGM，以存储用于对时段T1的结束和时段T2的开始进行标记的第一亮度电平(图9D、图9E)。
在时段T2期间，同一像素的光电二极管D1和下一像素的光电二极管D1′对图像切片进行扫描。通过激活晶体管TGM和TGB(图9E、图9F)来在时段T2结束时执行相关联亮度电平的转移。
一旦已经完成了此电荷转移，就通过再次激活晶体管CS(图9G)来读取所积累的亮度电平SIG，并然后在将所述亮度电平SIG存储在存储单元∑的阵列中之前，通过模数转换器(图9H)来对其进行采样。新的曝光以下一切片而开始。
可以观察到，是请求(solicit)晶体管TGB和TGH的频繁程度的两倍地请求中央转移晶体管TGM。事实上，连接到晶体管TGM的光电二极管D1扫描整个切片(即，两个半切片)，而光电二极管D1′(属于该像素的一个光电二极管和属于相邻像素的一个光电二极管)仅仅扫描半个切片。
在图9D到图9F中，同时命令晶体管TGH和TGM、或者晶体管TGB和TGM。也可以一个接一个地激活它们。
在线时间期间，必须整个读取像素阵列，并在存储阵列16中对其进行总计。通过同时读取每个列的各像素来一列接一列地(滚动快门模式)执行此读取。因此，在线时间TL期间，行的转换器执行与像素阵列中的列一样多的转换。简单地通过转换时间TC来对与图4的列相邻的列的时序图进行移位。
在本申请中将不详细地描述按照与传统TDI-MOS传感器的情况一样的方式来管理的存储阵列16。
因而，针对一个像素间距的移动而对每个图像切片扫描两次：通过光电二极管D1进行第一次、以及通过相对于光电二极管D1错开半个像素间距的光电二极管D1′进行第二次。此具体的过采样使得能够显著地改善图像运动MTF，从0.637转到大约0.9(以奈奎斯特(Nyquist)频率计算的)。与现有技术的技术不同，没有修改像素的间距，也没有修改图像的空间分辨率。因此，时间约束不变。
实际上，时间约束是由读取电路和模数转换器来施加的。事实上，针对m列的阵列，必须在线时间TL中执行m次转换(或在CDS的情况下的2m次转换)。在根据图像的扫描速率和间距来预先确定线时间的情况下，是读取的速度和转换电路限制了阵列的列数。

Claims (8)

1.一种时间延迟积分图像传感器，包括按行和列组织的像素(Px)的阵列(10′)，每个像素包括：
-第一光敏元件(D1)；
-存储节点(A、C2)；
-第一转移元件(TGM)，连接在该第一光敏元件(D1)和该存储节点(A)之间；
其特征在于，每个像素(Px)包括：
-第二光敏元件(D1′)；
-第二转移元件(TGH)，连接在该第二光敏元件(D1′)和该存储节点(A)之间；
-第三转移元件(TGB)，连接在该存储节点(A)和该列的相邻像素的第二光敏元件(D1′)之间，
并且其特征在于，该图像传感器包括：控制电路(15)，被配置为同时地将该第一和第二转移元件(TGM、TGH)命令为导通状态并且将该第三转移元件(TGB)命令为截止状态，并且在不同阶段中，配置为同时地将该第一和第三转移元件(TGM、TGB)命令为导通状态并且将该第二转移元件(TGH)命令为截止状态。
2.根据权利要求1的图像传感器，其特征在于，它包括：
-针对像素(Px)的每行，对于该行的各像素是公共的读取总线(L)；以及
-针对像素的每列，对于该列的各像素是公共的读取选择线(CS)。
3.根据权利要求2的图像传感器，其特征在于，它包括存储单元(∑)的阵列(16)，连接到读取总线(L)，以按存储单元的行来存储像素(Px)的几个行的所积累的亮度电平。
4.根据权利要求1的图像传感器，其特征在于，它包括：用于执行每个像素(Px)的相关双采样的部件(RST)。
5.根据权利要求1的图像传感器，其特征在于，该第一和第二光敏元件(D1、D1′)是相同维度的针扎二极管。
6.一种用于管理时间延迟积分图像传感器的方法，该时间延迟积分图像传感器包括按行和列组织的像素(Px)的阵列(10′)，针对列的每个像素，该方法包括以下相继的步骤：
在前半时段(T1)期间曝光该像素的第一和第二光敏元件(D1、D1′)；
将该第一光敏元件(D1)的亮度电平转移到该像素的存储节点(A)，并且将该第二光敏元件(D1′)的亮度电平转移到该像素的存储节点(A)；
在后半时段(T2)期间曝光该像素的该第一和第二光敏元件；
将该第一光敏元件(D1)的亮度电平转移到该像素的存储节点(A)，并且将该第二光敏元件(D1′)的亮度电平转移到该列的相邻像素的存储节点(A)；以及
读取该像素的存储节点(A)中的所积累的亮度电平。
7.根据权利要求6的方法，包括以下步骤：
在每次读取该像素(Px)的所积累的亮度电平(SIG)之前，读取该像素的参考电平(REF)；以及
从所积累的亮度电平中减去该参考电平。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，同时地命令同一列的像素(Px)，并且在同一时段期间相继地对各列进行寻址。
CN2011101470867A 2010-06-03 2011-06-02 互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器 Pending CN102271227A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1002360A FR2961019B1 (fr) 2010-06-03 2010-06-03 Capteur d'image lineaire en technologie cmos
FR10/02360 2010-06-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102271227A true CN102271227A (zh) 2011-12-07

Family

ID=43416569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011101470867A Pending CN102271227A (zh) 2010-06-03 2011-06-02 互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器

Country Status (5)

Country Link
US (2) US8817150B2 (zh)
EP (1) EP2398230B1 (zh)
JP (1) JP2011259428A (zh)
CN (1) CN102271227A (zh)
FR (3) FR2961019B1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102595060A (zh) * 2012-03-15 2012-07-18 天津大学 Cmos图像传感器内部实现tdi功能的模拟累加器
CN102724447A (zh) * 2012-05-30 2012-10-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 彩色面阵cmos传感器数字域tdi积分控制器
CN104580938A (zh) * 2013-10-18 2015-04-29 恒景科技股份有限公司 影像传感器以及影像感测方法
CN106129072A (zh) * 2015-05-08 2016-11-16 全视科技有限公司 堆叠芯片共享像素架构

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8451354B2 (en) * 2010-05-17 2013-05-28 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives TDI image sensor in CMOS technology with high video capture rate
FR2961019B1 (fr) 2010-06-03 2013-04-12 Commissariat Energie Atomique Capteur d'image lineaire en technologie cmos
KR101241471B1 (ko) * 2011-04-11 2013-03-11 엘지이노텍 주식회사 픽셀, 픽셀 어레이, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서의 구동방법
US9503606B2 (en) 2011-09-28 2016-11-22 Semiconductor Components Industries, Llc Time-delay-and-integrate image sensors having variable integration times
JP5995457B2 (ja) * 2012-02-17 2016-09-21 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、および撮像装置の駆動方法。
JP6080411B2 (ja) * 2012-07-13 2017-02-15 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像装置の駆動方法、および撮像システムの駆動方法。
US8975570B2 (en) 2012-08-23 2015-03-10 Teledyne Dalsa Inc. CMOS time delay and integration image sensor
US9148601B2 (en) 2012-09-26 2015-09-29 Teledyne Dalsa, Inc. CMOS TDI image sensor with rolling shutter pixels
EP2911384A4 (en) * 2012-10-30 2015-11-04 Shimadzu Corp LINEAR IMAGE SENSOR AND CONTROL METHOD THEREFOR
US9402041B2 (en) * 2013-07-11 2016-07-26 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state image sensor and imaging apparatus using same
CN104270584A (zh) * 2014-09-15 2015-01-07 天津大学 用于cmos-tdi图像传感器的电流累加型像素结构
US9723179B2 (en) 2014-11-25 2017-08-01 Raytheon Company Time delay and integration (TDI) imaging sensor and method
KR102210513B1 (ko) 2014-12-11 2021-02-02 삼성전자주식회사 커플링-프리 읽기를 수행할 수 있는 이미지 센서와 이를 포함하는 장치
CN106791508B (zh) * 2016-12-26 2019-06-14 首都师范大学 一种数字域tdi相机成像质量的调整方法及调整系统
DE102017208041A1 (de) * 2017-05-12 2018-11-15 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. TDI-Zeilendetektor
JP7157529B2 (ja) * 2017-12-25 2022-10-20 キヤノン株式会社 撮像装置、撮像システム、および撮像装置の駆動方法
RU2706008C1 (ru) * 2019-03-12 2019-11-13 Вячеслав Михайлович Смелков Устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения
KR20210072458A (ko) 2019-12-09 2021-06-17 에스케이하이닉스 주식회사 비행시간거리측정 방식의 센싱 시스템 및 이미지 센서

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4280141A (en) 1978-09-22 1981-07-21 Mccann David H Time delay and integration detectors using charge transfer devices
US4870293A (en) 1988-05-20 1989-09-26 General Electric Company Extended-width CCD imager array capable of time-delay-integration operation
FR2743462B1 (fr) 1996-01-04 1998-01-30 Commissariat Energie Atomique Dispositif de lecture de barrettes de detecteurs avec effet tdi
US6906749B1 (en) 1998-09-16 2005-06-14 Dalsa, Inc. CMOS TDI image sensor
US7268814B1 (en) * 1999-10-05 2007-09-11 California Institute Of Technology Time-delayed-integration imaging with active pixel sensors
US7009163B2 (en) * 2001-06-22 2006-03-07 Orbotech Ltd. High-sensitivity optical scanning using memory integration
CN100534150C (zh) * 2002-02-12 2009-08-26 索尼株式会社 固态成像装置和摄像机系统
EP1594312A4 (en) * 2003-02-13 2006-10-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd SOLID STATE VIEWING DEVICE, ASSOCIATED CONTROL METHOD, AND CAMERA USING THE DEVICE
JP4971586B2 (ja) * 2004-09-01 2012-07-11 キヤノン株式会社 固体撮像装置
US7952633B2 (en) 2004-11-18 2011-05-31 Kla-Tencor Technologies Corporation Apparatus for continuous clocking of TDI sensors
KR100690880B1 (ko) * 2004-12-16 2007-03-09 삼성전자주식회사 픽셀별 광감도가 균일한 이미지 센서 및 그 제조 방법
US7800145B2 (en) * 2004-12-30 2010-09-21 Ess Technology, Inc. Method and apparatus for controlling charge transfer in CMOS sensors with a transfer gate work function
KR100597651B1 (ko) * 2005-01-24 2006-07-05 한국과학기술원 이미지 센서, 실제 이미지를 전기적 신호로 바꾸는 장치 및 그 방법
KR100680469B1 (ko) * 2005-01-31 2007-02-08 매그나칩 반도체 유한회사 인접한 화소들 사이의 센싱노드들이 공유된 씨모스 이미지센서
US7830437B2 (en) 2005-05-11 2010-11-09 Aptina Imaging Corp. High fill factor multi-way shared pixel
US7796174B1 (en) * 2006-04-25 2010-09-14 Ball Aerospace & Technologies Corp. Hybrid imager
FR2906080B1 (fr) * 2006-09-19 2008-11-28 E2V Semiconductors Soc Par Act Capteur d'image en defilement par integrations successives et sommation, a pixels cmos actifs
US7675561B2 (en) * 2006-09-28 2010-03-09 Cypress Semiconductor Corporation Time delayed integration CMOS image sensor with zero desynchronization
KR100976886B1 (ko) * 2006-12-22 2010-08-18 크로스텍 캐피탈, 엘엘씨 부동 베이스 판독 개념을 갖는 ｃｍｏｓ 이미지 센서
JP2008205638A (ja) * 2007-02-16 2008-09-04 Texas Instr Japan Ltd 固体撮像装置及びその動作方法
DE102007030985B4 (de) * 2007-07-04 2009-04-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Bildsensor, Verfahren zum Betreiben eines Bildsensors und Computerprogramm
JP4582198B2 (ja) * 2008-05-30 2010-11-17 ソニー株式会社 固体撮像装置、撮像装置、固体撮像装置の駆動方法
EP2154879A1 (en) * 2008-08-13 2010-02-17 Thomson Licensing CMOS image sensor with selectable hard-wired binning
US8130302B2 (en) * 2008-11-07 2012-03-06 Aptina Imaging Corporation Methods and apparatus providing selective binning of pixel circuits
US8218068B2 (en) * 2009-04-01 2012-07-10 Omnivision Technologies, Inc. Exposing pixel groups in producing digital images
US20110019044A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Weng-Lyang Wang Time Delay Integration Based MOS Photoelectric Pixel Sensing Circuit
US8451354B2 (en) 2010-05-17 2013-05-28 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives TDI image sensor in CMOS technology with high video capture rate
FR2961019B1 (fr) 2010-06-03 2013-04-12 Commissariat Energie Atomique Capteur d'image lineaire en technologie cmos

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102595060A (zh) * 2012-03-15 2012-07-18 天津大学 Cmos图像传感器内部实现tdi功能的模拟累加器
CN102595060B (zh) * 2012-03-15 2013-06-19 天津大学 Cmos图像传感器内部实现tdi功能的模拟累加器
CN102724447A (zh) * 2012-05-30 2012-10-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 彩色面阵cmos传感器数字域tdi积分控制器
CN102724447B (zh) * 2012-05-30 2014-10-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 彩色面阵cmos传感器数字域tdi积分控制器
CN104580938A (zh) * 2013-10-18 2015-04-29 恒景科技股份有限公司 影像传感器以及影像感测方法
CN104580938B (zh) * 2013-10-18 2018-05-01 恒景科技股份有限公司 影像传感器以及影像感测方法
CN106129072A (zh) * 2015-05-08 2016-11-16 全视科技有限公司 堆叠芯片共享像素架构
CN106129072B (zh) * 2015-05-08 2019-07-26 豪威科技股份有限公司 堆叠芯片共享像素架构

Also Published As

Publication number Publication date
US9172851B2 (en) 2015-10-27
US8817150B2 (en) 2014-08-26
FR2961019A1 (fr) 2011-12-09
JP2011259428A (ja) 2011-12-22
US20110298956A1 (en) 2011-12-08
FR2961021A1 (fr) 2011-12-09
FR2961019B1 (fr) 2013-04-12
EP2398230A3 (fr) 2012-09-26
FR2961020A1 (fr) 2011-12-09
EP2398230A2 (fr) 2011-12-21
FR2961020B1 (fr) 2013-03-15
EP2398230B1 (fr) 2017-05-03
US20130286266A1 (en) 2013-10-31
FR2961021B1 (fr) 2013-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102271227A (zh) 互补金属氧化物半导体技术中的线性图像传感器
JP6570384B2 (ja) 撮像装置及び撮像システム
CN102256070A (zh) 具有高视频捕获速率的cmos技术中的图像传感器
EP3092792B1 (en) System and method for capturing digital images using multiple short exposures
CN102870406B (zh) 能够模拟和数字求和的刷卡机线性图像传感器及对应方法
US9438839B2 (en) Solid state imaging apparatus and imaging system using the same
CN101702753B (zh) 固体成像元件和相机系统
CN103384312B (zh) 固态图像捕获装置、其驱动方法及电子装置
CN114666520A (zh) 图像传感器像素和用于操作图像传感器的方法
US10270987B2 (en) System and methods for dynamic pixel management of a cross pixel interconnected CMOS image sensor
WO1997017800A1 (en) An image sensor with high dynamic range linear output
JP5105453B2 (ja) 撮像素子、半導体装置、及び撮像方法、撮像装置
JP2011244452A (ja) 高ビデオキャプチャレートを有するｃｍｏｓテクノロジーのイメージセンサ
KR102294322B1 (ko) 시간적 디더링된 샘플링을 위한 cmos 센서 아키텍처
JP2010206653A (ja) 撮像装置、撮像素子およびその駆動方法
JP6574653B2 (ja) 撮像装置及び撮像システム
US20140320719A1 (en) Solid-state image device, method for driving same, and camera system
JP5460342B2 (ja) 固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法
US9040894B2 (en) Imager with column readout
JP3914655B2 (ja) 固体撮像装置
JP3149909B2 (ja) イメージセンサ
KR20160097937A (ko) 이미지 센싱 장치
JPH04281682A (ja) Ｘ‐ｙアドレス型固体撮像装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20111207