CN118138908A - 一种电荷域tdi图像传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电荷域TDI图像传感器及其工作方法，涉及图像传感器技术领域。该电荷域TDI图像传感器包括：M列×N行像素阵列，每一列像素均设有一个列读出电路；每一个像素包括：电荷存储晶体管，光电二极管；同一列像素内的电荷存储晶体管，用于在像素阵列每一次曝光后，分别将存储的电荷转移至同一列像素中的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；同一列像素中位于最后的电荷存储晶体管，将存储的电荷转移至列读出电路进行量化后输出，以得到该列像素的时间延迟积分信号。本申请可采用传统CMOS图像传感器工艺，便于与现有成熟CMOS工艺读出电路集成。
Description
技术领域
本申请涉及图像传感器技术领域，特别涉及一种电荷域TDI图像传感器及其工作方法。
背景技术
TDI（Time Delay Integration，时间延迟积分）是一种基于对同一目标多次曝光、多帧累加从而提高信号亮度的技术手段，在光线较暗或曝光时间不足的情况下能输出更高信噪比信号，从而改善拍摄环境条件限制导致图像的信噪比过低的情况。
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。其中，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，某一列上的第一行像素在第一个曝光周期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曝光周期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。
但是，CCD图像传感器的整体功耗较高，且CCD的实现依赖于特殊的工艺，其系统较为复杂。相比CCD图像传感器，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器可以与现有CMOS工艺具有较好的兼容性，且具有集成度高、功耗低、成本低廉等优势。
发明内容
本申请提出的一种电荷域TDI图像传感器及其工作方法，提出一种可应用在高速线阵相机中的电荷域全局曝光像素结构，以实现电荷域的TDI累加和电荷在像素内部累加。
为实现上述目的，本申请提出了以下技术方案：
在本申请的第一方面，提供了一种电荷域TDI图像传感器，包括：
M列×N行像素阵列，用于将光信号转换为电信号；
像素阵列中的每一列像素均设有一个列读出电路，用于实现每一列像素的读出功能，将电信号转换为数字信号；
每一个像素包括：电荷存储晶体管，用于与光电二极管相连，且不同像素间的电荷存储晶体管通过电荷传输晶体管连接；
光电二极管，用于在像素阵列每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加；
同一列像素内的电荷存储晶体管，用于在像素阵列每一次曝光后，分别将存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至同一列像素中的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；
其中，同一列像素中位于最后的电荷存储晶体管，直接将其存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出，以得到该列像素的时间延迟积分信号。
进一步地，每一个像素还包括：
全局复位晶体管，与光电二极管的输出端相连；其中，每一列像素中的N个全局复位晶体管同时被控制打开或关闭，用于对列像素中的N个光电二极管同时进行复位；
全局开关晶体管，与电荷存储晶体管相连；其中，同一列像素中的N个全局开关门晶体管可同时被控制打开或关闭，且当N个全局开关门晶体管同时打开时，使得一列像素中的N个光电二极管中的电荷转移到各自相连的电荷存储晶体管中；
存储复位晶体管，与电荷存储晶体管相连，用于对相连的电荷存储晶体管进行复位。
进一步地，每一个像素还包括：
电荷传输晶体管，用于连接在同一列中不同像素之间的电荷存储晶体管；
在同一列像素中，N个电荷存储晶体管基于对应光电二极管的排列顺序，依次通过电荷传输晶体管相连接；
当同一列像素的非最后一个电荷传输晶体管打开时，与电荷传输晶体管相连的电荷存储晶体管将电荷转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管；
当一列像素的最后一个电荷传输晶体管打开时，与电荷传输晶体管相连的最后一个电荷存储晶体管将电荷转移到列读出电路，以进行量化后输出。
进一步地，若电荷域TDI图像传感器电路为彩色TDI传感器，则电荷域TDI图像传感器电路包括：
M列×3N行像素阵列，其中，3N行像素包括：用于拍摄红色光的连续N行像素、用于拍摄绿色光的连续N行像素和用于拍摄蓝色光的连续N行像素；
在M列×3N行像素阵列中，每一列像素中根据像素拍摄的颜色设有三个列读出电路；
三个列读出电路连接同一根数据线，通过同一读出电路进行量化后输出，
或，三个列读出电路分别连接三根数据线，通过三个读出电路进行量化后输出。
在本申请的第二方面，提供了一种电荷域TDI图像传感器工作方法，电荷域TDI图像传感器包括M列×N行像素阵列；在像素阵列中，每一列像素设有一个列读出电路；列读出电路为对应一列像素中的每个光电二极管设置一个电荷存储晶体管；且在同一列像素中，每个电荷存储晶体管根据相连的光电二极管的排列顺序，依次通过电荷传输晶体管连接；
工作方法包括：
在每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至相连的电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加；
分别将每一电荷存储晶体管存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至相连接的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；其中，将位于最后的电荷存储晶体管存储的电荷，通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出，以得到该列的时间延迟积分信号。
进一步地，还包括：
在电荷域TDI图像传感器的像素阵列中，每一列像素均同步执行电荷转移流程，以实现TDI数据读出；
其中，电荷转移流程包括以下内容：
在每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至与光电二极管相连的电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加；
分别将每一电荷存储晶体管存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至相连接的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；其中，将位于最后的电荷存储晶体管存储的电荷，通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出。
进一步地，还包括：
将每一列像素的N个光电二极管的输出端，与位于同一像素内的全局复位晶体管和全局开关晶体管相连；
当N个全局复位晶体管同时打开时，对N个光电二极管同时进行复位；或，当N个全局复位晶体管同时关闭后，对N个光电二极管进行曝光；
将每一列像素的N个全局开关晶体管同时打开，使得N个光电二极管中的电荷转移到各自相连的电荷存储晶体管中；
基于所连接光电二极管的排列顺序，依次将每一列像素的N个电荷存储晶体通过不同电荷传输晶体管进行连接；
当一列像素的非最后一个电荷传输晶体管打开时，将与其连接的电荷存储晶体管内电荷通过电荷传输晶体管转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管；
当一列像素的最后一个电荷传输晶体管打开时，将与其连接的最后一个电荷存储晶体管内电荷通过电荷传输晶体管转移到读出电路，以进行量化后输出。
进一步地，还包括：
将每个电荷存储晶体管与一存储复位晶体管相连；其中，存储复位晶体管用于在存储晶体管内的电荷转移出去后，对电荷存储晶体管进行复位。
进一步地，在将电荷存储晶体管内电荷转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管的过程中，电荷存储晶体管的栅压保持低电压，且下一个电荷存储晶体管的栅压保持高电压；其中，低电压表示0V或基准电压；高电压表示电源电压或高于低电压的电压。
进一步地，全局复位晶体管、全局开关晶体管、电荷存储晶体管、电荷传输晶体管和存储复位晶体管均为NMOS管。
现有技术多采用CCD CMOS集成工艺实现线阵TDI，本申请提出了一种基于CMOS工艺的电荷域像素结构，通过时序控制实现了TDI。本申请可采用传统CMOS图像传感器工艺，无需CCD特殊工艺制程，成本低，便于与现有成熟CMOS工艺读出电路集成。且与CCD只能进行电荷转移不同，本申请采用CMOS工艺，可在像素区域制作电路，在电荷转移基础上增加读出电路，可实现多线同时读出，实现彩色连续像素排布，并提高芯片工作效率和速度。
附图说明
图1是本申请提供的一种TDI技术的工作原理图；
图2是本申请实施例提供的TDI传感器电路中一列像素的结构图；
图3是本申请实施例提供的一种TDI传感器电路工作方法的工作时序示意图；
图4是本申请实施例提供的一种N阶黑白TDI线阵图像传感器的像素布局图；
图5是本申请实施例提供的一种N阶彩色TDI线阵图像传感器的像素布局图；
图6是本申请实施例提供的一种彩色三线读出流程的示意图。
实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
时间延迟积分技术的基本原理如图1所示，以四行像素的TDI线阵扫描相机为例，对于其中的任一列像素点pixel0、pixel1、pixel2和pixel3，被拍摄物体分为ABCD四个部分，被拍摄物体的运行速度与TDI线阵扫描相机的扫描行频相适应。在连续的四个扫描时刻，被拍摄物体的一部分A，分别依次被pixel0、pixel1、pixel2和pixel3拍到，然后将pixel0、pixel1、pixel2和pixel3拍到的物体的一部分A进行积分，最终获得被拍摄物体的一部分A的图像信息。
目前主流CMOS图像传感器芯片TDI（时间延迟积分）实现方式分为三类，第一类为CCD-CMOS集成芯片，信号累加在像素内完成；第二类为模拟域累加，在模拟信号中采用电容或电流镜实现信号存储累加，此类产品需要非常大芯片面积搭建模拟累加器，且随着累加级数增多，由于寄生等因素导致累加效果下降，此外模拟累加器需要较高的功耗并且无法实现模拟电路的相关双采样噪声较大；第三类为数字域累加，将ADC量化完的数值存储并与后续帧信号累加，数字域TDI芯片转换速率慢，相比模拟域累加，数字域需额外N个量化周期，实现ADC对信号的量化。
其中，数字域TDI相比于像素内或模拟域叠加缺点在于，实现N级TDI需要N个量化周期。每次量化完将量化后的数据存储在触发器或静态存储器中，待N次量化完将连续N帧的值进行累加后输出，对于高级数TDI芯片工作速度极大受限。
而模拟域TDI存储方式如采用电容，为了实现低噪声存储电容在现有CMOS工艺基础上需占用较大的面积，且电容大后相应的采样运放功耗高，在高级数TDI情况下，由于寄生电容导致信号叠加衰减，高级数的TDI效果差。模拟域TDI如采用电压或电流方式存储信号，精度低。线阵图像传感器一般有M列相同TDI结构，精度低导致列与列之间差异大，引入非常大的固定图形噪声（FPN，Fixed-Pattern Noise）。
本申请采用第一类像素内完成TDI累加的方式，提出一种新型电荷域全局曝光像素结构，实现电荷域的TDI累加，可应用在高速线阵相机中，实现电荷在像素内部累加。
在一些实施例中，本申请提出了一种电荷域TDI图像传感器，包括：
M列×N行像素阵列，用于将光信号转换为电信号。其中，M表示像素阵列的列数，N表示像素阵列的行数。
像素阵列中的每一列像素均设有一个列读出电路，用于实现每一列像素的读出功能，将电信号转换为数字信号。
每一个像素包括：电荷存储晶体管，用于与光电二极管相连，且不同像素间的电荷存储晶体管通过电荷传输晶体管连接。
光电二极管，用于在像素阵列每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加。
同一列像素内的电荷存储晶体管，用于在像素阵列每一次曝光后，分别将存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至同一列像素中的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动。
其中，同一列像素中位于最后的电荷存储晶体管，直接将其存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出，以得到该列像素的时间延迟积分信号。
一种实现方式中，每一个像素还包括：
全局复位晶体管，与光电二极管的输出端相连；其中，每一列像素中的N个全局复位晶体管同时被控制打开或关闭，用于对列像素中的N个光电二极管同时进行复位；
全局开关晶体管，与电荷存储晶体管相连；其中，同一列像素中的N个全局开关门晶体管可同时被控制打开或关闭，且当N个全局开关门晶体管同时打开时，使得一列像素中的N个光电二极管中的电荷转移到各自相连的电荷存储晶体管中；
存储复位晶体管，与电荷存储晶体管相连，用于对相连的电荷存储晶体管进行复位。
一种实现方式中，每一个像素还包括：电荷传输晶体管，用于连接在同一列中不同像素之间的电荷存储晶体管；
在同一列像素中，N个电荷存储晶体管基于对应光电二极管的排列顺序，依次通过电荷传输晶体管相连接；
当同一列像素的非最后一个电荷传输晶体管打开时，与电荷传输晶体管相连的电荷存储晶体管将电荷转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管；
当一列像素的最后一个电荷传输晶体管打开时，与电荷传输晶体管相连的最后一个电荷存储晶体管将电荷转移到列读出电路，以进行量化后输出。
具体的，本申请提出了一种电荷域全局曝光TDI传感器电路，包括M列×N行像素阵列，每一列像素设有一个列读出电路；列读出电路的核心结构为如图2所示的电路结构，为了方便描述图2仅以4阶TDI进行展示，该像素结构可实现N阶TDI，且N大于1。
每个单元像素（unit pixel）包含图2虚线框内5个器件，分别为用于控制全局复位的器件：全局复位晶体管（AB），用于控制全局电荷传输的器件：全局开关传输晶体管（TX），用于像素内电荷存储的器件：电荷存储晶体管（SG：storage gate），用于存储复位的器件：存储复位晶体管（reset），以及用于实现像素间电荷传输的器件：电荷传输晶体管TX2。
优选地，上述全局复位晶体管、全局开关晶体管、电荷存储晶体管、电荷传输晶体管和存储复位晶体管均为NMOS管。
具体的，每个电荷存储晶体管与对应的一个光电二极管相连，并根据对应的光电二极管的排列顺序依次通过像素间电荷传输晶体管连接。当前一次曝光完成后，光电二极管内的电荷转移至对应的电荷存储晶体管内。依次连接的电荷存储晶体管，分别将其存储的电荷转移至下一电荷存储晶体管内，实现电荷整体的向前移动。位于最后的电荷存储晶体管则直接将其存储的电荷转移至列读出电路进行量化后输出。进行下一次曝光，光电二极管内的电荷再次转移至对应的电荷存储晶体管内，在电荷存储晶体管内实现电荷累加；然后再根据上述步骤实现电荷整体的向前移动，位于最后的电荷存储晶体管直接将其存储的电荷转移至列读出电路进行量化后输出。
根据上述的电荷域TDI图像传感器，本实施例还提出了一种电荷域TDI图像传感器工作方法，其中，电荷域TDI图像传感器包括M列×N行像素阵列；在像素阵列中，每一列像素设有一个列读出电路；列读出电路为对应一列像素中的每个光电二极管设置一个电荷存储晶体管；且在同一列像素中，每个电荷存储晶体管根据相连的光电二极管的排列顺序，依次通过电荷传输晶体管连接。
工作方法包括以下步骤：
步骤a、在每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至相连的电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加。
步骤b、分别将每一电荷存储晶体管存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至相连接的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动。
其中，将位于最后的电荷存储晶体管存储的电荷，通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出，以得到该列的时间延迟积分信号。
上述工作方法还包括以下步骤：
步骤S1、在电荷域TDI图像传感器的像素阵列中，每一列像素均同步执行电荷转移流程，以实现TDI数据读出。
其中，电荷转移流程包括以下步骤：
步骤S101、在每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至与光电二极管相连的电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加。
步骤S102、分别将每一电荷存储晶体管存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至相连接的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；其中，将位于最后的电荷存储晶体管存储的电荷，通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出。
一种实现方式中，上述电荷域TDI图像传感器工作方法还包括以下内容：
将每一列像素的N个光电二极管的输出端，与位于同一像素内的全局复位晶体管和全局开关晶体管相连；
当N个全局复位晶体管同时打开时，对N个光电二极管同时进行复位；或，当N个全局复位晶体管同时关闭后，对N个光电二极管进行曝光；
将每一列像素的N个全局开关晶体管同时打开，使得N个光电二极管中的电荷转移到各自相连的电荷存储晶体管中；
基于所连接光电二极管的排列顺序，依次将每一列像素的N个电荷存储晶体通过不同电荷传输晶体管进行连接。
当一列像素的非最后一个电荷传输晶体管打开时，将与其连接的电荷存储晶体管内电荷通过电荷传输晶体管转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管。
当一列像素的最后一个电荷传输晶体管打开时，将与其连接的最后一个电荷存储晶体管内电荷通过电荷传输晶体管转移到读出电路，以进行量化后输出。
一种实现方式中，电荷域TDI图像传感器还包括：
将每个电荷存储晶体管与一存储复位晶体管相连；其中，存储复位晶体管用于在存储晶体管内的电荷转移出去后，对电荷存储晶体管进行复位。
图3为该方法对应的时序图，芯片在工作过程中，全局复位晶体管AB打开，对光电二极管（PD）进行复位，AB关闭后开始积分，全局开关晶体管TX打开，PD中的电荷转移到电荷存储晶体管（SG）中，AB到TX时间为有效曝光积分时间。AB和TX的操作为全局操作，所有像素一同进行。
图3中，pixel0对应的SG、reset、TX2表示为SG_0、RST_0、TX2_0；pixel1对应的SG、reset、TX2表示为SG_1、RST_1、TX2_1；pixel2对应的SG、reset、TX2表示为SG_2、RST_2、TX2_2；pixel3对应的SG、reset、TX2表示为SG_3、RST_3、TX2_3。
待TX关闭完成全局电荷传输后，进行读出和电荷传递过程。pixel3中的TX2打开，将SG中保存的电荷传递到浮置扩散区FD点，完成电荷电压转换，转换完的电压经过源随器SF送给后续列读出电路。pixel3中的TX2关闭后，reset打开对SG进行复位。pixel3中的SG复位完成后，pixel2中的TX2打开，将pixel2中的SG中保存的电荷传递到pixel3中的SG中。pixel2中的SG完成电荷转移后，reset对SG进行复位。后续pixel1和pixel0依次完成上述过程。在完成所有像素的SG依次向前传递电荷后，全局开关晶体管TX打开进行下一次电荷读出。
一种实现方式中，在将电荷存储晶体管内电荷转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管的过程中，电荷存储晶体管的栅压保持低电压，且下一个电荷存储晶体管的栅压保持高电压；其中，低电压表示0V或基准电压；高电压表示电源电压或高于低电压的电压。
例如，将SG2中保存的电荷传递到SG3中，在此过程中，需控制SG2 和SG3 的栅压，SG2保持低电压（通常为0V或参考地），SG3保持高电压（通常为电源电压或为高于SG2栅压的某一电压值），电荷在电势差的作用下单方向的SG3流动，完成电荷转移。基于上述处理，通过控制电荷存储晶体管的栅压，保证了电子单方向的移动。
TDI过程如下，pixel0对物体第一次曝光，曝光信号存储在pixel0的SG中，在电荷
传递时，将pixel0的SG中电荷传递到pixel1的SG中，此时pixel1的SG中存储电荷为SG0,n。第
二次曝光后，TX导通将PD中电荷传递到SG中，此时pixel1的SG中存储的电荷为。之后将pixel1的SG的电荷传递到pixel2的SG中。进行第三次曝光，
TX导通将PD中电荷传递到SG中，此时pixel2的SG中存储电荷为，之后进行电荷传递，pixel2的SG中电荷传给pixel3
的SG。进行第四次曝光，TX导通将PD中电荷传递到SG中，此时pixel3的SG中存储电荷为，完成4次电荷累加的TDI操作，进行
电荷传递，将pixel3的SG中电荷传递到FD，后续读出电路进行量化。其中，在TX导通时，
pixel0、pixel1、pixel2和pixel3 四个像素PD中存储的电荷同时传递到SG中。
一种实现方式中，若电荷域TDI图像传感器电路为彩色TDI传感器，则电荷域TDI图像传感器电路包括：
M列×3N行像素阵列，其中，3N行像素包括：用于拍摄红色光的连续N行像素、用于拍摄绿色光的连续N行像素和用于拍摄蓝色光的连续N行像素；
在M列×3N行像素阵列中，每一列像素中根据像素所拍摄的颜色设有三个列读出电路；
三个列读出电路连接同一根数据线，通过同一读出电路进行量化后输出，
或，三个列读出电路分别连接三根数据线，通过三个读出电路进行量化后输出。
具体地，图4、5分别展示了由图1构成的TDI线阵黑白和彩色图像传感器像素布局。其中，TDI线阵由N行M列组成，N行对应N阶TDI，黑白线阵每一列对应一列读出电路，彩色线阵每一列对应三套读出电路。
对于彩色TDI传感器，包括M列×3N行像素阵列。其中，3N行像素包括：用于拍摄红色光的连续N行像素、用于拍摄绿色光的连续N行像素和用于拍摄蓝色光的连续N行像素；每一列像素中根据像素所拍摄的颜色设有三个列读出电路；三个列读出电路连接同一根数据线，通过同一读出电路进行量化后输出。或，三个列读出电路分别连接三根数据线，通过三个读出电路进行量化后输出彩色线阵每一列对应三个列读出电路。
具体地，如图6所示，彩色排布的像素可使用金属线将像素输出连接在一起然后通过一个ADC进行量化，也可将每个颜色的输出通过三根金属线分别连接到三个ADC，此时可以同时读取三行像素的数据，相比传统CCD每次只能读出一行数据，读取速度可以提高三倍，进而提高图像的帧率。
彩色三套读出电路可连接一根数据线（bitline）对应一套ADC或分别连接三根bitline对应三套ADC加速数据量化读出。
相较于传统CCD只能通过电荷在像素内转移实现信号读出，本申请采用CMOS工艺，可在像素区域制作电路，在电荷转移基础上增加读出电路，实现多线同时读出，提高数据的读取速度。
此外，相较于现有CCD CMOS集成工艺实现线阵TDI的方法，本申请提出了一种基于CMOS工艺的电荷域像素结构，通过时序控制实现了TDI。本申请提供的方案中，无需CCD特殊工艺制程，成本低，便于与现有成熟CMOS工艺读出电路集成。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种电荷域TDI图像传感器，其特征在于，包括：
M列×N行像素阵列，用于将光信号转换为电信号；
像素阵列中的每一列像素均设有一个列读出电路，用于实现每一列像素的读出功能，将电信号转换为数字信号；
每一个像素包括：电荷存储晶体管，用于与光电二极管相连，且不同像素间的电荷存储晶体管通过电荷传输晶体管连接；
光电二极管，用于在像素阵列每一次曝光后，光电二极管内的电荷转移至电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加；
同一列像素内的电荷存储晶体管，用于在像素阵列每一次曝光后，分别将存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至同一列像素中的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；
其中，同一列像素中位于最后的电荷存储晶体管，直接将其存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出，以得到该列像素的时间延迟积分信号。
2.根据权利要求1所述的电荷域TDI图像传感器电路，其特征在于，每一个像素还包括：
全局复位晶体管，与光电二极管的输出端相连；其中，每一列像素中的N个全局复位晶体管同时被控制打开或关闭，用于对列像素中的N个光电二极管同时进行复位；
全局开关晶体管，与电荷存储晶体管相连；其中，同一列像素中的N个全局开关门晶体管可同时被控制打开或关闭，且当N个全局开关门晶体管同时打开时，可使得一列像素中的N个光电二极管中的电荷转移到各自相连的电荷存储晶体管中；
存储复位晶体管，与电荷存储晶体管相连，用于对相连的电荷存储晶体管进行复位。
3.根据权利要求2所述的电荷域TDI图像传感器电路，其特征在于，每一个像素还包括：
电荷传输晶体管，用于连接在同一列中不同像素之间的电荷存储晶体管；
在同一列像素中，N个电荷存储晶体管基于对应光电二极管的排列顺序，依次通过电荷传输晶体管相连接；
当同一列像素的非最后一个电荷传输晶体管打开时，与电荷传输晶体管相连的电荷存储晶体管将电荷转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管内；
当一列像素的最后一个电荷传输晶体管打开时，与电荷传输晶体管相连的最后一个电荷存储晶体管将电荷转移到列读出电路，以进行量化后输出。
4.根据权利要求1所述的电荷域TDI图像传感器电路，其特征在于，若电荷域TDI图像传感器电路为彩色TDI传感器，则电荷域TDI图像传感器电路包括：
M列×3N行像素阵列，其中，3N行像素包括：用于拍摄红色光的连续N行像素、用于拍摄绿色光的连续N行像素和用于拍摄蓝色光的连续N行像素；
在M列×3N行像素阵列中，每一列像素中根据像素拍摄的颜色设有三个列读出电路；
所述三个列读出电路连接同一根数据线，通过同一读出电路进行量化后输出，
或，所述三个列读出电路分别连接三根数据线，通过三个读出电路进行量化后输出。
5.一种电荷域TDI图像传感器工作方法，其特征在于，电荷域TDI图像传感器包括M列×N行像素阵列；在像素阵列中，每一列像素设有一个列读出电路；列读出电路为对应一列像素中的每个光电二极管设置一个电荷存储晶体管；且在同一列像素中，每个电荷存储晶体管根据相连的光电二极管的排列顺序，依次通过电荷传输晶体管连接；
所述工作方法包括：
在每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至相连的电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加；
分别将每一电荷存储晶体管存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至相连接的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；其中，将位于最后的电荷存储晶体管存储的电荷，通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出，以得到该列的时间延迟积分信号。
6.根据权利要求5所述的电荷域TDI图像传感器工作方法，其特征在于，还包括：
在电荷域TDI图像传感器的像素阵列中，每一列像素均同步执行电荷转移流程，以实现TDI数据读出；
其中，电荷转移流程包括以下内容：
在每一次曝光后，将光电二极管内的电荷转移至与光电二极管相连的电荷存储晶体管内，并与电荷存储晶体管内原有的电荷进行累加；
分别将每一电荷存储晶体管存储的电荷通过电荷传输晶体管转移至相连接的下一电荷存储晶体管内，以实现电荷整体的向前移动；其中，将位于最后的电荷存储晶体管存储的电荷，通过电荷传输晶体管转移至列读出电路进行量化后输出。
7.根据权利要求5所述的电荷域TDI图像传感器工作方法，其特征在于，还包括：
将每一列像素的N个光电二极管的输出端，与位于同一像素内的全局复位晶体管和全局开关晶体管相连；
当N个全局复位晶体管同时打开时，对N个光电二极管同时进行复位；或，当N个全局复位晶体管同时关闭后，对N个光电二极管进行曝光；
将每一列像素的N个全局开关晶体管同时打开，以使得N个光电二极管中的电荷转移到各自相连的电荷存储晶体管中；
基于所连接光电二极管的排列顺序，依次将每一列像素的N个电荷存储晶体通过不同电荷传输晶体管进行连接；
当一列像素的非最后一个电荷传输晶体管打开时，将与其连接的电荷存储晶体管内电荷通过电荷传输晶体管转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管；
当一列像素的最后一个电荷传输晶体管打开时，将与其连接的最后一个电荷存储晶体管内电荷通过电荷传输晶体管转移到读出电路，以进行量化后输出。
8.根据权利要求5所述的电荷域TDI图像传感器工作方法，其特征在于，还包括：
将每个电荷存储晶体管与一存储复位晶体管相连；其中，存储复位晶体管用于在存储晶体管内的电荷转移出去后，对电荷存储晶体管进行复位。
9.根据权利要求7所述的电荷域TDI图像传感器工作方法，其特征在于，在将电荷存储晶体管内电荷转移到同一列像素的下一个电荷存储晶体管的过程中，电荷存储晶体管的栅压保持低电压，且下一个电荷存储晶体管的栅压保持高电压；其中，低电压表示0V或基准电压；高电压表示电源电压或高于低电压的电压。
10.根据权利要求7所述的电荷域TDI图像传感器工作方法，其特征在于，全局复位晶体管、全局开关晶体管、电荷存储晶体管、电荷传输晶体管和存储复位晶体管均为NMOS管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410092011.0A CN118138908A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 一种电荷域tdi图像传感器及其工作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410092011.0A CN118138908A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 一种电荷域tdi图像传感器及其工作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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| CN202410092011.0A Pending CN118138908A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 一种电荷域tdi图像传感器及其工作方法 |
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2024
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