CN103402061A - Cmos tdi图像传感器及其电荷转移控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMOS TDI图像传感器及其电荷转移控制方法，该传感器的M行多晶硅栅极制作于N列半导体带和隔离带上，多晶硅栅极与半导体带由绝缘介质隔离；多晶硅栅极与时序产生电路连接，半导体带与读出电路连接。电荷转移控制方法如下：通过控制半导体带输出处连接的开关网络和多晶硅栅极信号，使每个相等时间间隔，电荷收集区域面积从nxm变为nxi或从nxi变为nxm；每两个相等时间间隔，电荷收集区域沿垂直方向移动m-i行；n和m、i分别为水平和垂直电荷收集单元合并个数；经开关网络合并后的电荷信号经读出电路读出。本发明可提高CMOS TDI图像传感器的信噪比、可调节有效像素尺寸和面积、提高图像分辨率。

Description

CMOS TDI图像传感器及其电荷转移控制方法

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：

通过外部寄存器控制静态电路选择开关网络的第n×p个开关断开，其余开关接合，此时第n×p～（n-1）×p列电荷转移通道合并；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，动态调整电荷收集单元的合并数量，使得每隔一个相等的时间间隔，电荷收集区域的面积从nxm变为nxi或从nxi变为nxm；每隔两个相等的时间间隔，电荷收集区域沿电荷移动方向移动m-i行；其中n为水平电荷收集单元的合并个数，m、i为垂直电荷收集单元的合并个数，n、m、i、p为自然数，n×p小于等于N，i小于m，且m小于M；各电荷收集单元每次曝光产生并收集的电荷通过各电荷转移通道累加转移，最后经读出电路处理和叠加后输出。

本发明的有益效果：

（1）CMOS TDI的无噪声电荷累加。其实现方式是通过调节多晶硅栅极的电压来产生半导体表面电势阱以收集和转移电荷。同时，通过时序控制电路将产生的电势阱跟随被摄物体相对移动，从而在电荷转移的过程中收集新的曝光电荷以实现TDI的功能，在这个过程中由于电荷耦合的特性，不会由于电荷累加而产生噪声。

（2）可选择多晶硅栅极合并个数和电荷转移通道合并个数，并在读出电路中对所得的信号进行叠加，以调节TDI电荷收集单元合并数量（水平和垂直方向），从而改变TDI图像传感器的有效像素尺寸和面积。在底部读出电路中，通过开关网络选择对n个电荷转移通道的电荷进行叠加，从而读出整个像素的曝光信息，并将其转化为读出信号。

（3）本发明提出的像素间电荷转移方式可以实现运动中的成像物体在其运动方向上的分辨率为一个电荷收集单元尺寸（而不是合并后的一个有效像素尺寸）。相比较于其他传统CMOS TDI图像传感器的实现方式，本发明提出的像素间电荷转移方式可以极大地提高图像分辨率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为线扫图像传感器原理示意图。

图2为TDI工作系统示意图。

图3TDI图像传感器原理示意图。

图4本发明的CMOS TDI图像传感器结构示意图。

图5电荷收集单元示意图。

图6为本发明的CMOS TDI图像传感器结构立体图。

图7为三电荷转移通道合并读出电路示意图。

图8为四电荷转移通道合并读出电路示意图。

图9为五电荷转移通道合并读出电路示意图。

图10本发明的CMOS  TDI图像传感器像素可调节功能示意图。

图11本发明的CMOS TDI图像传感器像素调节过程示意图。

图12为对应于图11像素调节过程的时序图。

图13为本发明的CMOS TDI图像传感器电荷转移控制方法实施例1的电荷转移过程示意图。

图14为本发明的CMOS TDI图像传感器电荷转移控制方法实施例1的电荷转移A-A’剖面图示意图。

图15为本发明的CMOS TDI图像传感器电荷转移控制方法实施例2的电荷转移过程示意图。

图16为本发明的CMOS TDI图像传感器电荷转移控制方法实施例2的电荷转移A-A’剖面图示意图。

图17为本发明的CMOS TDI图像传感器电荷转移控制方法实施例3的电荷转移过程示意图。

具体实施方式

如图4、5、6所示，本发明的CMOS TDI图像传感器包括基板11，制作于基板11上的N列半导体带13，制作于基板11上并将各列半导体带13隔离的绝缘隔离带14；M行多晶硅栅极15，时序产生电路12，读出电路17；所述M行多晶硅栅极15制作于半导体带13和隔离带14上，且多晶硅栅极15与半导体带13之间由绝缘介质16隔离；每个多晶硅栅极15与半导体带13交叠的部分及两者中间的绝缘介质16构成一个电荷收集单元18，每个电荷收集单元18作为一个传感器像素，且每列半导体带13整体作为一个电荷转移通道，多晶硅栅极15作为电荷转移控制极；M行多晶硅栅极15分别与时序产生电路12连接，N列半导体带13与读出电路17连接。

所述基板11可以采用P型基板或N型基板。

所述半导体带13可以是N型或P型半导体带。多晶硅栅极15加负电压时，N型半导体带可以收集光电效应产生的自由空穴；多晶硅栅极15加正电压时，P型半导体带可以收集由光电效应产生的自由电子。

所述隔离带14采用二氧化硅等绝缘材料。

如图4、5所示，多晶硅栅极15宽度为a，相邻多晶硅栅极15的间距为d，半导体带13的宽度为b，相邻半导体带13的间距为c。（本发明中对a、b、c的大小没有严格的限制，根据实际需要设定）

所述电荷收集单元18的作用是将曝光产生的电荷收集到多晶硅栅极15的下方，通过时序产生电路12控制多晶硅栅极15信号高低电平的变化来移动所存储的曝光电荷。

如图7、8、9所示，本发明还可以包括开关网络；所述开关网络由连接于各列半导体带13输出之间的开关SW1、SW2、SW3、.....、SW14、......构成。通过寄存器控制静态电路选择各列开关的通断，可以调节输出信号的合并路数；合并后的各路信号经过读出电路读出。

如图7所示，当开关SW3、SW6、SW9、SW12、......断开，其余开关闭合时电荷转移通道合并个数为三，各路合并后的信号经读出电路读出。

如图8所示，当开关SW4、SW8、SW12、......断开，其余开关闭合时电荷转移通道合并个数为四，各路合并后的信号经读出电路.读出。

如图9所示，当开关SW5、SW10、SW15、......断开，其余开关闭合时电荷转移通道合并个数为五，各路合并后的信号经读出电路读出。

本发明的读出电路不限于上述实施方式，不需要合并电荷转移通道时，读出电路17可以仅由电荷放大电路和开关电容放大电路组成；当需要合并电荷转移通道时，读出电路17由电荷放大电路、开关网络和开关电容放大电路组成。

通过选择时序产生电路12控制多晶硅栅极15合并个数，通过开关网络选择电荷转移通道合并个数，并在读出电路17中对所得的信号进行叠加，可以调节TDI电荷收集单元18合并数量（水平和垂直方向），从而改变TDI图像传感器的有效像素区域的尺寸和面积。如图10所示,图中n=3，m=2，n为水平电荷收集单元18的合并个数，m为垂直电荷收集单元18合并个数。图中虚线框表示的电荷收集区域面积为3x2，阴影区表示的像素区域面积为3x3（注：像素区域面积包含但不限于nXn的正方形）。在底部读出电路17中，通过开关网络选择对n个电荷转移通道的电荷进行叠加，从而读出整个像素的曝光信息，并将其转化为读出信号。

通过调节加载在多晶硅栅极15的电压来产生半导体表面电势阱以收集和转移电荷。同时，通过时序产生电路12使产生的电势阱跟随被摄物体相对移动，从而在电荷转移的过程中收集新的曝光电荷以实现TDI的功能，在这个过程中由于电荷耦合的特性，不会由于电荷累加而产生噪声。

当该TDI结构工作时，通过时序产生电路12，TDI的电荷收集单元18将跟随运动物体在成像平面上投影从上向下（或从下向上）移动。与此同时，曝光物体在整个感光平面上由于光电效应产生曝光电荷，这些新产生的电荷会累加到相应移动中的电荷收集区域中，从而达到延长物体等效曝光时间以实现TDI的功能的目的。

以P型半导体带为例，如图11、12所示，在T=t1时刻，时序V2、V3为高电平，其余为低电平；控制第二行、第三行多晶硅栅极15下面的P型半导体带表面产生电势阱，从而收集像素区域产生的电荷；在T=t2时刻，时序V3为高电平，其余为低电平；控制第三行多晶硅栅极带15下面的P型半导体带表面产生电势阱，从而将电荷收集到第三行多晶硅栅极15下面的P型半导体带；在T=t3时刻，时序V3、V4分别高电平，其余为低电平；控制第三行、第四行多晶硅栅极15下面的P型半导体带表面产生电势阱，从而将电荷收集到第三行和第四行多晶硅栅极15下面的P型半导体带；......以此类推，最终收集和累加的电荷由读出电路17输出。

本发明提出的像素间电荷转移方式可以实现运动中的成像物体在像素间的纵向分辨率为一个电荷收集单元尺寸（而不是合并后的电荷收集区域尺寸）。相比较于其他传统CMOS TDI图像传感器的实现方式（例如图3），本发明提出的像素间电荷转移方式可以极大地提高图像分辨率。

对于一个nxm的电荷收集区域而言，通过操作时序产生电路的时序可动态调整电荷收集区域面积至nxi(i的范围可为1≤i<m的整数)。本发明提出的电荷转移规律可以描述为：每隔相等的时间间隔，电荷收集区域的面积从nxm变为nxi或从nxi变为nxm。每两个相等的时间间隔，电荷收集区域沿电荷移动方向移动m-i个电荷转移控制极。其中n为合并的电荷转移通道的数目，m、i为电荷收集区域的半导体带的行数，i小于m。

实施例1

n=3，m=2，i=1情况（像素区域面积为3x3个电荷收集单元面积）。电荷转移通道合并数为3。

如图13所示，虚线框表示电荷存储区（即电荷收集区域），斜阴影区域表示像素区域（像素区域面积为3×3）。如图14所示，电荷收集区域的电荷由黑色实线表示，其他区域像素电荷由灰色实线表示）

在t1时刻，电荷存储区面积为3×2；在t2时刻，电荷存储区面积为3×1；在t3时刻，电荷存储区面积为3×2；在t4时刻，电荷存储区面积为3×1；......。每隔相等的时间间隔，电荷存储区的面积从3x2变为3x1或从3x1变为3x2。每两个相等的时间间隔，电荷存储区沿电荷移动方向移动1个电荷转移控制极。

实施例2

n=4，m=3，i=2情况（像素区域面积为4x4个电荷收集单元面积）。电荷转移通道合并数为4。

如图15所示，虚线框表示电荷存储区（即电荷收集区域），斜阴影区域表示像素区域（像素区域面积为4×4）。如图16所示，电荷收集区域的电荷由黑色实线表示，其他区域像素电荷由灰色实线表示）

在t1时刻，电荷存储区面积为4×3；在t2时刻，电荷存储区面积为4×2；在t3时刻，电荷存储区面积为4×3；在t4时刻，电荷存储区面积为4×2；......。每隔相等的时间间隔，电荷存储区的面积从4x3变为4x2或从4x2变为4x3。每两个相等的时间间隔，电荷存储区沿电荷移动方向移动1个电荷转移控制极。

实施例3

n=4，m=3，i=1情况（像素区域面积为4x4个电荷收集单元面积）。电荷转移通道合并数为4。

如图17所示，虚线框表示电荷存储区（即电荷收集区域），斜阴影区域表示像素区域（像素区域面积为4×4）。

在t1时刻，电荷存储区面积为4×3；在t2时刻，电荷存储区面积为4×1；在t3时刻，电荷存储区面积为4×3；在t4时刻，电荷存储区面积为4×1；......。每隔相等的时间间隔，电荷存储区的面积从4x3变为4x1或从4x1变为4x3。每两个相等的时间间隔，电荷存储区沿电荷移动方向移动1个电荷转移控制极。相比较于实施例2的电荷转移模式，本实施例的电荷转移速度提高了2倍。

Claims (5)

1.一种CMOS TDI图像传感器，其特征在于包括基板（11），制作于基板（11）上的N列半导体带（13），制作于基板（11）上并将各列半导体带（13）隔离的绝缘隔离带（14）；M行多晶硅栅极（15），时序产生电路（12），读出电路（17）；所述M行多晶硅栅极（15）制作于半导体带（13）和隔离带（14）上，且多晶硅栅极（15）与半导体带（13）之间由绝缘介质（16）隔离；每个多晶硅栅极（15）与半导体带（13）交叠的部分及两者中间的绝缘介质（16）构成一个电荷收集单元（18），每列半导体带（13）整体构成一个电荷转移通道；M行多晶硅栅极（15）分别与时序产生电路（12）连接，N列半导体带（13）与读出电路（17）连接。 

2.根据权利要求1所述的CMOS TDI图像传感器，其特征在于还包括开关网络，所述开关网络由连接于各列半导体带（13）输出之间的开关构成。 

3.一种如权利要求2所述CMOS TDI图像传感器的电荷转移控制方法，其特征在于： 

通过外部寄存器控制静态电路选择开关网络的第n×p个开关断开，其余开关闭合，此时第n×p～（n-1）×p列由半导体带(13）构成的电荷转移通道合并；通过时序产生电路(12）控制各行多晶硅栅极(15）电压高低电平的变化，可调整电荷收集单元(18）的合并数量，使得每隔一个相等的时间间隔，电荷收集区域的面积从nxm变为nxi或从nxi变为nxm；每隔两个相等的时间间隔，电荷收集区域沿电荷移动方向移动m-i行；其中n为水平电荷收集单元(18）的合并个数，m、i为垂直电荷收集单元(18）的合并个数，n、m、i、p为自然数，n×p小于等于N，i小于m，且m小于M；各电荷收集单元(18）每次曝光产生并收集的电荷通过各电荷转移通道累加转移，最后经读出电路(17）叠加和处理后输出。 

4.根据权利要求3所述的CMOS TDI图像传感器的电荷转移控制方法，其 特征在于n=3,m=2。 

5.根据权利要求3所述的CMOS TDI图像传感器的电荷转移控制方法，其特征在于n=4,m=3，i=1或i=2。 

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