CN106464820B - Tdi行图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种TDI行图像传感器。根据本发明的TDI行图像传感器的特征在于包括：像素单元，其具有N个行传感器，该行传感器具有布置成行的M个CCD，并且水平地布置在扫描方向上，水平地移动在所述行传感器的相应列中累积的电荷，并且累积电荷；以及输出单元，用于并行地从相应列接收在所述像素单元中累积的电荷作为输入，对电荷执行模/数转换并且存储电荷，然后依次输出电荷。

Description

TDI行图像传感器
技术领域
本发明涉及时间延迟积分(TDI)行图像传感器，并且更具体地说涉及一种TDI行图像传感器，其包括：像素单元，其以TDI方法通过电荷耦合装置(CCD)累积电荷；以及输出单元，其对每列中的CCD中累积的电荷执行模/数(AD)转换，在存储缓冲器中存储电荷，然后依次输出电荷，由此能够由于CCD和互补型金属氧化物半导体(CMOS)装置的特性而改善分辨率和传输速率并且减小功率消耗和噪声。
背景技术
近年来，由于大批量生产、自动化和生产设施的改进，依赖于人的肉眼或各种类型的传感器的功能已经越来越多地被包括图像传感器的视觉机器取代。电荷耦合装置(CCD)是这些图像传感器中主要使用的半导体装置。
CCD是指能够将电荷从一个装置传输到另一邻近装置的装置。包括这种CCD的图像传感器具有这样的结构：其中归因于光量的每个单元中的自由电荷量的变化被转换成电信号。
结构上，CCD主要包括单元区域，其中由于一定数量的光而大量累积电荷，以及输出单元，其包括移位寄存器，移位寄存器充当依次传输累积电荷的路径。
根据在阵列中布置单元和产生图像的方法，CCD划分成区域扫描方法、行扫描方法、时间延迟积分(TDI)行扫描方法等等。
使用行扫描方法的图像传感器(下文称为“行传感器”)是一维传感器，其中接收图像光的像素布置成行。在给二维加宽的图像成像时，通过移动行传感器或对象而逐行地将对象依次成像。
也就是说，行扫描方法是一次曝光一行并且以任意速率传输一行的方法，并且具有这样的优点：与区域扫描方法相比，可以用低成本获得高速并且高分辨率的图像。举例来说，虽然在区域扫描方法中需要4M像素以便获得2048*2048大小的帧，但是在行扫描方法中，仅仅使用2K像素就可以获得例如2048*2048、2048*1000等等各种大小的帧。
然而，当执行高速扫描方法时，例如在给高速移动的对象成像的情况下，或者在通过高速移动行传感器给对象成像的情况下，由于在每行中重复高速累积和传输电荷，所以可以逐行累积电荷的时间减少，因而图像的光量变得不够。因此，对于光量的需求在增加，但是由于照明装置的局限性，所以光量可能无法无限地增加。
因此，虽然关于通过改善钉扎光电二极管(PPD)、互补型金属氧化物半导体(CMOS)传感器等等的材料来增加灵敏度的研究一直在获得进展，但是已经有人提出了通过布置几个行传感器来累积光量以增加灵敏度的方法。
在使用TDI行扫描方法的图像传感器(下文称为“TDI行图像传感器”)中，行传感器布置成扫描方向上的多个级，每行中的CCD中累积的电荷与图像的移动同步，并且被传输到下一行中的CCD。通过重复该过程直到最后一个行传感器为止，借此重叠然后输出电荷，因此，即使通过高速扫描方法也可以获得具有足够满意的光量的图像。
未审查的韩国专利申请公开案No.2009-0023573(2009年3月5日公开，发明名称：用于控制TDI-CCD图像传感器的方法(Method for Controlling a TDI-CCD ImageSensor))中揭示了本发明的现有技术。
发明内容
【技术问题】
本发明涉及提供一种时间延迟积分(TDI)行图像传感器，其中每行中的电荷耦合装置(CCD)中累积的电荷水平地移动到邻近的下一行中的CCD，移动到最后一行并且累积，然后通过垂直地移动最后一行中累积的电荷而被输出到信号处理单元，并且可以以行为单位依次处理关于每个单元的数据。
如上文所述，当在CCD中累积的电荷水平地移动到邻近行时，通过将电荷与图像的移动同步来移动电荷，但是，当累积的电荷垂直地移动以便输出到信号处理单元时，由于通过以停止状态逐个地串行移动累积的电荷来传输累积的电荷，因此存在当累积的电荷垂直地移动时要花费大量时间的问题。
具体地说，在TDI行图像传感器中，由于每行中垂直地串联布置的CCD的数量相对大于在扫描方向上水平地布置的行数以便具有高分辨率，所以存在这样的问题：累积电荷垂直地移动并且输出，会使得通过TDI行传感器扫描图像要花费大量时间。
提供本发明以解决上述问题，并且本发明的实施例涉及提供一种TDI行图像传感器，其包括：像素单元，其以TDI方法通过CCD累积电荷；以及输出单元，其对每列中的CCD中累积的电荷执行模/数(AD)转换，在存储缓冲器中存储电荷，然后依次输出电荷，并且能够由于CCD和互补型金属氧化物半导体(CMOS)装置的特性而改善分辨率和传输速率并减小功率消耗和噪声。
【技术方案】
本发明的一个方面提供一种时间延迟积分(TDI)行图像传感器，所述传感器包括像素单元，其包括N个行传感器，该行传感器具有布置成行的M个电荷耦合装置(CCD)，其中该N个行传感器在扫描方向上水平地布置，被配置成水平地移动在行传感器的相应列中累积的电荷并且累积电荷；以及输出单元，其被配置成并行地从相应列接收在像素单元中累积的电荷作为输入，对该电荷执行模/数(AD)转换，存储电荷，然后依次输出电荷。
输出单元可以包括：M个放大器，其被配置成在电荷存储节点并行地从相应列接收在像素单元中累积的电荷作为输入，并且分别放大该电荷，该M个AD转换器被配置成分别对从放大器输出的信号执行AD转换；以及存储缓冲器，其被配置成存储并且依次输出AD转换器的输出。
放大器可以是源极跟随器放大器。
【有利效果】
根据本发明的时间延迟积分(TDI)行图像传感器包括：像素单元，其以TDI方法通过电荷耦合装置(CCD)累积电荷；以及输出单元，其对每列中的CCD中累积的电荷执行模/数(AD)转换，在存储缓冲器中存储电荷，然后依次输出电荷，因此由于CCD和互补型金属氧化物半导体(CMOS)装置的特性，能够改善分辨率和传输速率并且减小功率消耗和噪声。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的时间延迟积分(TDI)行图像传感器的框图。
图2是示出根据本发明的一个实施例的TDI行图像传感器的像素单元的结构的视图。
图3是用于描述根据本发明的一个实施例的TDI行图像传感器中的电荷移动的视图。
具体实施方式
下文中，将参看附图描述根据本发明的一个实施例的时间延迟积分(TDI)行图像传感器。在此过程中，出于清楚和方便描述起见，可能会夸大附图中所示出的行的厚度、组件大小等等。
此外，将考虑在本发明中的功能来定义下面描述的一些术语，并且其含义可以根据例如使用者或操作人员的意图或习惯而改变。因此，在整个本说明书中应当基于该范围解释这些术语的含义。
图1是示出根据本发明的一个实施例的TDI行图像传感器的框图，图2是示出根据本发明的一个实施例的TDI行图像传感器的像素单元的结构的视图，并且图3是用于描述根据本发明的一个实施例的TDI行图像传感器中的电荷移动的视图。
如图1和图2中所示，根据本发明的一个实施例的TDI行图像传感器包括像素单元10和输出单元20。
像素单元10包括N个行传感器12，每个行传感器12具有M个电荷耦合装置(CCD)14，其布置成行，其中N个行传感器12水平地布置在扫描方向上，使用TDI方法水平地移动在行传感器12_1到12_N的相应列中累积的电荷，并且累积电荷。
也就是说，如图3中所示，通过依次控制CCD 14中的每一个的电压V1、V2和V3，将在CCD 14中累积的电荷中的每一个移动到邻近的CCD 14，重叠电荷存储节点FD，并且输出电荷。
由于像素单元10的配置对应于TDI行图像传感器的像素单元的一般配置，所以在本实施例中将省略对配置的详细描述。
输出单元20包括放大器22、模/数(AD)转换器24和存储缓冲器26，以便并行地从相应列接收在像素单元10中累积的电荷作为输入，对电荷执行AD转换，存储电荷，然后依次输出电荷。
为了通过并行地从相应列向电荷存储节点FD接收电荷作为输入，借此放大在像素单元10中累积的电荷中的每一个，放大器22包括M个放大器以便对应于布置在单个行传感器12中的CCD 14的数量。
在这种情况下，可以将放大器22配置成源极跟随器放大器，其中从像素单元10的最后一个行传感器12_N移动电荷，根据电荷存储节点FD的累积电势来接通电荷，并且输出其电压值。
AD转换器24分别对从M个放大器22输出的信号执行AD转换。
存储缓冲器26存储在M个AD转换器24中转换成数字信号的图像信号，接着依次输出图像信号并且允许信号处理单元(未示出)处理每个行的图像信号。
当以此方式配置的TDI行图像传感器执行扫描和成像时，使用TDI方法在像素单元10的行传感器12中的每一个的CCD 14中累积的电荷与扫描同步，移动到其相应列中的邻近的行传感器12，并且输出到输出单元20的电荷存储节点FD。
在电荷存储节点FD中累积的电荷通过放大器22放大之后，对电荷执行AD转换，并且输出电荷作为信号。接着，可以复位电荷存储节点FD使其具有电压VDD，电压VDD通过复位栅极RG连接到复位漏极RD，并且可以接收下一个行传感器12的电荷作为输入。
以此方式，由于像素单元10通过CCD以TDI方法配置，所以可以获得具有足够满意的光量的高分辨率图像。
此外，由于存储于输出单元20的电荷存储节点FD中的电荷通过放大器22放大，在AD转换器24中转换成数字信号，存储于存储缓冲器26中，然后不移动通过CCD就被输出，所以由于互补型金属氧化物半导体(CMOS)装置的作用，即使用更少的功率消耗也可以改进积分度并且可以改进传输速率。
如上文所述，在根据本发明的实施例的TDI行图像传感器中，由于像素单元被配置成以TDI方法通过CCD累积电荷，并且输出单元被配置成对每个列中的CCD中累积的电荷执行AD转换，在存储缓冲器中存储电荷，然后依次输出电荷，所以由于CCD和CMOS装置的特性，可以改进分辨率和传输速率并且可以减少功率消耗和噪声。
虽然已参照附图中示出的实施例描述了本发明，但是应当仅仅在描述性意义上考虑实施例，并且所属领域的技术人员应理解，可以做出各种更改和等效的其它实施例。
因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书界定。

Claims (1)

1.一种时间延迟积分TDI行图像传感器，所述传感器包括：
像素单元，其包括N个行传感器，每个行传感器具有布置成行的M个电荷耦合装置CCD，其中所述N个行传感器水平地布置在扫描方向上，用于水平地移动在所述行传感器的相应列中累积的电荷，并且累积所述电荷；以及
输出单元，其用于并行地从相应列接收在所述像素单元中累积的所述电荷作为输入，对所述电荷执行模/数AD转换，存储所述电荷，然后依次输出所述电荷；
其中所述输出单元包括：
M个放大器，其用于在电荷存储节点处并行地从所述相应列接收在所述像素单元中累积的所述电荷作为输入，并且分别放大所述电荷；
M个AD转换器，其用于分别对从所述放大器输出的信号执行AD转换；以及
存储缓冲器，其用于存储并且依次输出所述AD转换器的输出；
其中所述放大器是源极跟随器放大器，所述源极跟随器放大器根据基于所述电荷存储节点累积的所述电荷的电势被导通，并输出电压值。
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