一种应用于TDI CMOS图像传感器的防抖动方法技术

本发明专利技术公开一种应用于TDI CMOS图像传感器的防抖动方法，包括：单级储存器读取单级储存器的单级光信号储存在补偿电容中，同时在TDI累加器中进行传统TDI积累；TDI累加器计算单级光信号差异并将光信号差异添加到累加电容中，得到光信号总差异，并利用该光信号总差异得到总信号输出。本发明专利技术可有效去除残余运动对成像效果的影响，从而可以得到一个相对理想的光信号，从而大大的提高成像品质。

An Anti-jitter Method for TDI CMOS Image Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种应用于TDICMOS图像传感器的防抖动方法
本专利技术涉及CMOS图像传感器
，特别是涉及应用于TDICMOS图像传感器的防抖动方法。
技术介绍
随着CMO技术不断发展，时间延时积分TDI(TimeDelayIntegration，TDI)被应用于CMOS图像传感器中。图1是传统TDICMOS图像传感器的成像方式。以四级TDI为例，四个像素阶段沿轨道方向排列，t1、t2、t3和t4分别表示图像传感器在连续时间中的不同位置。四级的TDI图像传感器依次对物体A成像。在t1时，物体A投射在列中的第一个像素处，产生光信号A1。随着相机移动，在t2时，物体A在第二个像素中产生一个光信号。A2表示前两个像素中获得的光信号总和。在t3时，第三个像素中产生了第三个光信号，因此A3表示来自前三个像素的光信号总和。在t4时，第四像素产生另一个光信号，A4为四个像素产生光信号的总和。从整个过程来看，从每个像素收集的光信号不直接输出，而是转移到下一阶段的像素中，显然，n级的TDI图像传感器可以扩展n倍的有效积分时间，以提高信噪比。此技术可行性建立在传感器扫描方向与沿轨道运行方向保持一致的情况上，但由于外部环境等因素影响，尤其在TDICMOS图像传感器应用到远程成像系统中(例如卫星)，轨道上的卫星有时会受到随机扰动影响，灵活的内部组件或外部组件环境，使相机运动不再稳定，其飞行稳定性会受到抖动的影响，随机扰动包含大量的谐波振动(正弦波)。如图2所示，谐波振动会引入跨轨道方向的残余运动，扫描运动产生了跨轨道运动，导致图像模糊和扭曲。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种应用于TDICMOS图像传感器的防抖动方法，以解决传统的TDI只是将像素的光信号简单的累加在一起，在残余运动存在的情况下，抖动会使累加得到的光信号不止来自于一个物体，使得成像模糊的技术问题。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：一种应用于TDICMOS图像传感器的防抖动方法，包括：单级储存器读取单级储存器的单级光信号储存在补偿电容中，同时在TDI累加器中进行传统TDI积累；TDI累加器计算单级光信号差异并将光信号差异添加到累加电容中，得到光信号总差异，并利用该光信号总差异得到总信号输出；其中，n级TDI光信号总差异为：总信号其中，YA是单级光信号，i＝n。其中，所述单级储存器设置在TDI累加器与多个像素之间，包括有：补偿电容模块,包含多个并联布置的补偿电容，用于CDS读出的单级光信号，每个补偿电容连接一个补偿电容开关；电容式跨阻放大器，设在所述补偿电容模块与多个像素之间之间，其输出与补偿电容模块的输入连接，用于电荷积分，包括增益放大器以及一个电容、一个补偿开关；补偿开关闭合时工作，通过及补偿电容开关在相应TDI阶段闭合，将积分结果给补偿电容，使相应的补偿电容得到电荷的积累。其中，所述一个电容、一个补偿开关分别与增益放大器并联布置。其中，所述补偿电容模块的输出通过第一开关与TDI累加器的增益放大器的光信号输入端连接，TDI累加器的增益放大器的信号输入端与像素的光信号输出端通过第二开关相连接。其中，所述TDI累加器包括多个并联布置的累积电容，采样保持电容，每个所述累积电容与一个累积开关串联连接，所述采样保持电容通过采样保持开关与TDI累加器的增益放大器的信号输出端连接，多个累积电容、累积开关分别与TDI累加器的增益放大器并联。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过本专利技术方法，找到不同阶段的差异，进而找到来自一种物体的总信号，从而达到去模糊、提高成像品质的效果。附图说明图1是传统TDICMOS图像传感器的成像方式示意图；图2是受抖动影响的TDI成像方式示意图；图3是本专利技术一个实施例的TDI路径电路示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图2所示，以四级TDI为例来说明原理，A、B和C三个物体彼此靠近放置，假设每一个物体的光信号密度是均匀的，同时假设像素中心距与像素有效感光区在沿轨道方向的长度相等。残余运动会导致图像发生移位。相邻阶段的位移大小分别是r1、r2和r3。YA1＝a(1)YA2＝YA1+r1(-a+b)(2)YA3＝YA2+r2(-a+b)(3)YA4＝YA3+r3(-a+b)(4)其中，YA1-YA4代表四个阶段像素捕获的光信号大小，a表示物体A的光信号，b表示物体B的光信号。若遵循传统TDI累加方式，将四个像素光信号累加在一起，最终得到光信号既非来自物体A也非来自物体B，而是两物体的混合信号，由于信号混合导致成像模糊。可通过找到相邻两个阶段的差异来处理，其中相邻两个阶段的差异可从YA1到YA4中找到，混合信号与清晰信号的差异可表示为：ΔY＝3r1(a-b)+2r2(a-b)+r3(a-b)(5)ΔY＝3(YA1-YA2)+2(YA1-YA3)+YA3-YA4(6)通过ΔY得到一个清晰的总信号Y，总信号Y表示为：从上式可以看到，通过四级TDI图像传感器，得到了总信号Y，同时总信号Y中只有来自物体A的信号。这样就可以得到一个清晰的总信号，从而达到去模糊的效果。该方法可以推广到求n阶TDI的清晰信号，公式8为：如图3所示为本专利技术一个实施例的TDI路径电路，左侧一列为n个像素，充当n个TDI阶段，列并行TDI电路与两个模块---TDI累加器和单级储存器—集成。由于采用标准4T有源像素结构，选择增益放大器为基础结构，通过相关双采样(CDS)除去复位噪声。其中，增益放大器(GA2)与补偿开关SC、电容CD组成一个电容式跨阻放大器，用作电荷积分，电容CIC用于消除增益放大器(GA2)的失调电压,补偿开关SC闭合时工作，其积分结果传递给补偿电容(CC1-CCn-1)，补偿电容开关(SC1-SCn-1)在相应的TDI阶段闭合，使相应的补偿电容得到电荷的积累。TDI累加器中，其增益放大器GA1和电容(CA1-CAn)起着相同的作用，电容CIA用于消除增益放大器GA1的失调电压，与电容(CA1-CAn)并联的累积开关SA闭合时，电容式跨阻放大器工作，累积电容开关(SA1-SAn)在相应TDI阶段闭合，使得积累电荷存储在相应电容(CA1-CAn)里面，最终积分结果在采样保持开关SSH闭合时传递给采样保持电容CSH。TDI累加器,用于常规TDI积累与邻近阶段信号差的积累。单级储存器读取从CDS输出的单级光信号，(CC1-CCn-1)为补偿电容，其不同电容值产生公式(8)的系数，同时储存光信号。储存电荷用作随后的光信号差的计算。图3所示的电路的具体工作分为两步：首先，两个开关SM闭合，CDS读出单级光信号，将单级光信号储存在补偿电容中。同时在TDI累加器中进行传统TDI积累(CIA为输入电容，相应阶段的积累电容作为反馈电容)。将第n阶段信号YAn储存在CAn中，第n-1阶段将信号YAn-1储存在CAn-1中，第1阶段将信号YA1储存在CA1中，然后累计在一起。所以n级TDI传统累加结果为：第二步，两个开关SM关断，TDI累加器计算光信号差异并将其添加到相应的累加电容中(相邻阶段的补偿电容作为输入，相应阶段的累积电容作为反馈)。第n阶段，用储存在CCn-1的电荷PAn本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于TDI CMOS图像传感器的防抖动方法，其特征在于，包括步骤：单级储存器读取单级储存器的单级光信号储存在补偿电容中，同时在TDI累加器中进行传统TDI积累；TDI累加器计算单级光信号差异并将光信号差异添加到累加电容中，得到光信号总差异，并利用该光信号总差异得到总信号输出；其中，n级TDI光信号总差异为：

【技术特征摘要】
1.一种应用于TDICMOS图像传感器的防抖动方法，其特征在于，包括步骤：单级储存器读取单级储存器的单级光信号储存在补偿电容中，同时在TDI累加器中进行传统TDI积累；TDI累加器计算单级光信号差异并将光信号差异添加到累加电容中，得到光信号总差异，并利用该光信号总差异得到总信号输出；其中，n级TDI光信号总差异为：总信号其中，YA是单级光信号，i＝n。2.如权利要求1所述应用于TDICMOS图像传感器的防抖动方法，其特征在于，所述单级储存器设置在TDI累加器与多个像素之间，包括有：补偿电容模块,包含多个并联布置的补偿电容，用于CDS读出的单级光信号，每个补偿电容连接一个补偿电容开关；电容式跨阻放大器，设在所述补偿电容模块与多个像素之间之间，其输出与补偿电容模块的输入连接，用于电荷积分，包括增益放大器以及一个电容、一个补偿开关；补偿开关闭合时工作，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：高静，张宝帅，聂凯明，徐江涛，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12