基于双向时间延迟积分(TDI)的图像传感器及其成像方法技术

本发明专利技术公开一种基于双向时间延迟积分(TDI)的图像传感器及其成像方法。其图像传感器包括：多级线阵阵列，包括沿图像传感器扫描方向布置的多个单级线阵；每一级单级线阵响应于第一控制信号进入计数模式，响应于第二控制信号进入转移模式，在转移模式下响应于方向控制信号进入正向转移或反向转移模式；在计数模式下，每一级单级线阵对像素上的光信号计数；在正向转移模式下，每一级单级线阵停止计数，除最后一级外的其他各级单级线阵将获得的计数值转移到下一级，最后一级将获得的计数值输出；在反向转移模式下，每一级单级线阵停止计数，除第一级外的其他各级单级线阵将获得的计数值转移到上一级，第一级将获得的计数值输出。出。出。

【技术实现步骤摘要】
基于双向时间延迟积分(TDI)的图像传感器及其成像方法


[0001]本专利技术公开涉及一种基于双向时间延迟积分(Time delay integration，TDI)的图像传感器及其成像方法，具体涉及采用单光子雪崩二极管(SPAD，single photon avalanche diode)实现双向时间延迟积分的图像传感器以及相应的成像方法。

技术介绍

[0002]时间延时积分是一种在高速扫描成像模式中提高图像信噪比的成像方法，其通常用于CCD(charge coupled device)技术中，即TDI
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CCD图像传感器。图1示出了一种TDI图像传感器用于成像的示意图。在线阵扫描系统中，TDI图像传感器级数增加方向为相机扫描方向，通过不同级的线阵阵列对同一处场景进行多次曝光成像，可以延长成像的等效积分时间，有利于提高信噪比。信噪比与TDI传感器的级数之间存在正相关的关系，当TDI图像传感器的级数越多，同一成像条件下可以实现的图像的信噪比越高。通常来说，TDI技术广泛用于线阵扫描应用，如工业流水线扫描、中低轨卫星扫描等应用，尤其适用于低照度、高速成像系统中，可在相对较短的时间内获得较高信噪比的图像。
[0003]然而，TDI
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CCD图像传感器存在制备成本高、工作电压高等一些劣势，业界最近提出了基于CMOS工艺的TDI图像传感器。TDI
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CMOS技术兼容CMOS工艺，成本较低，但其转移方式一般是在行列读出后再进行模拟域累加或数字域累加，容易引入噪声，且需要复杂的控制时序。总体而言，TDI
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CMOS图像传感器噪声水平和成像质量均和TDI
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CCD存在一定差距。此外，我们前期申请了TDI
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SPAD图像传感器专利，主要实现单向转移的时间延迟积分功能。
[0004]但是在实际应用中，单向转移不能满足摆扫应用需求，即相机摆扫过程中只有单方向如正向摆扫部分的数据有效，因此两个有效数据周期之间间隔较长。采用机械转动180度的方案可以解决反向问题，但卫星或飞行器上实现高速机械控制的难度大、成本高，且高重频的机械转动容易对机械结构造成损伤，影响传感器整体工作寿命。双向TDI的设计弥补了单向电路的这一缺陷，摆动过程中的数据均为有效数据，且不需要机械转动的辅助。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术公开一种基于双向时间延迟积分的图像传感器及其成像方法，具体涉及采用单光子雪崩二极管实现双向时间延迟积分的图像传感器以及相应的成像方法，尤其适用于低照度、高速摆扫成像系统中。
[0006]根据本专利技术公开的一方面，提出了一种基于双向时间延迟积分TDI的图像传感器，包括：
[0007]多级线阵阵列，包括沿图像传感器的扫描方向布置的多个单级线阵，其中图像传感器的扫描方向作为级数方向；其中，每个单级线阵包括沿线阵方向排布的多个像素，线阵方向与级数方向垂直；
[0008]其中，每一级单级线阵响应于第一控制信号进入计数模式，响应于第二控制信号进入转移模式，在转移模式下响应于方向控制信号进入正向转移模式或反向转移模式；其
中，在所述计数模式下，每一级单级线阵对入射到像素上的光信号进行计数并获得计数值，而在所述正向转移模式下，每一级单级线阵停止计数，除最后一级单级线阵之外的其他各级单级线阵将获得的当前计数值转移到下一级单级线阵，最后一级单级线阵将获得的当前计数值输出；在所述反向转移模式下，每一级单级线阵停止计数，除第一级单级线阵之外的其他各级单级线阵将获得的当前计数值转移到上一级单级线阵，第一级单级线阵将获得的当前计数值输出。
[0009]根据本专利技术公开的一示例，其中，所述光信号是光子，每个像素包括：像素单元，检测所述光子并输出脉冲信号，其中脉冲信号的数量与光子的数量相关；计数器，接收像素单元输出的脉冲信号，响应于所述第一控制信号对脉冲信号的数量进行计数并获得所述计数值，以及响应于所述第二控制信号停止计数并且输出获得的当前计数值。
[0010]根据本专利技术公开的一示例，其中，像素单元包括单光子雪崩二极管SPAD，其中SPAD连接到一反向偏置电压使得该SPAD工作在盖革模式下。
[0011]根据本专利技术公开的一示例，其中，每个像素还包括：
[0012]与SPAD连接的淬灭电路，在SPAD接收到单个光子发生雪崩击穿后，降低SPAD的反向偏置电压使得雪崩淬灭，并且输出一脉冲信号。
[0013]根据本专利技术公开的一示例，其中，每个像素还包括：与淬灭电路连接的脉冲整形电路，对淬灭电路输出的脉冲信号进行整形，并且向计数器输出数字脉冲信号。
[0014]根据本专利技术公开的一示例，图像传感器还包括：锁存电路，响应于所述第二控制信号，在正向转移模式下对最后一级单级线阵输出的计数值进行锁存，在反向转移模式下对第一级单级线阵输出的计数值进行锁存；地址选择电路，读取锁存电路锁存的计数值，供后级处理电路基于计数值生成图像信息。
[0015]根据本专利技术公开的一示例，图像传感器还包括：时序控制电路，生成所述第一控制信号和所述第二控制信号包括方向控制信号，并将其提供给多级线阵阵列中的每一级。
[0016]根据本专利技术公开的一示例，其中，在每个单级线阵中，像素单元和计数器分别沿阵列方向形成像素单元线阵和计数器线阵。
[0017]根据本专利技术公开的一示例，其中，像素单元线阵和计数器线阵在多级线阵阵列中彼此交替排布，并且被布置在同一层上；或者像素单元线阵和计数器线阵分别形成像素单元阵列和计数器阵列，并且像素单元阵列和计数器阵列被布置在同一层上，像素单元阵列中的像素单元和计数器阵列中的对应计数器进行电连接。
[0018]根据本专利技术公开的一示例，其中，像素单元线阵和计数器线阵分别形成像素单元阵列和计数器阵列，并且像素单元阵列和计数器阵列被布置在不同层上。
[0019]根据本专利技术公开的一示例，像素单元阵列和计数器阵列基于3D堆栈工艺被布置在不同层上，并且像素单元阵列中的像素单元和计数器阵列中的对应计数器进行电连接。
[0020]根据本专利技术公开的一示例，其中，所述淬灭电路和所述脉冲整形电路中的至少一个被集成在所述像素单元中。
[0021]根据本专利技术公开的一示例，其中，计数器包括多级级联的触发单元，其中，在多级级联的触发单元中，每一级触发单元包括一触发器、与触发器连接的第一数据选择器以及第二数据选择器，其中，每级触发器包括：
[0022]数据输入端，连接第一数据选择器的输出端；
[0023]时钟输入端，连接第二数据选择器的输出端；
[0024]第一输出端，输出计数脉冲；以及
[0025]第二输出端，连接到第一数据选择器的第三输入端；
[0026]其中，除第一级触发单元之外，其他各级触发单元中的第二数据选择器的第一输入端连接到上一级触发单元中的触发器的第二输出端，第一级触发单元的第二数据选择器的第一输入端连接到脉冲整形电路的输出端；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双向时间延迟积分TDI的图像传感器，包括：多级线阵阵列，包括沿图像传感器的扫描方向布置的多个单级线阵，其中图像传感器的扫描方向作为级数方向，每个单级线阵包括沿线阵方向排布的多个像素，线阵方向与级数方向垂直；其中，每一级单级线阵响应于第一控制信号进入计数模式，响应于第二控制信号进入转移模式，在转移模式下响应于方向控制信号进入正向转移模式或反向转移模式；其中，在所述计数模式下，每一级单级线阵对入射到像素上的光信号进行计数并获得计数值，而在所述正向转移模式下，每一级单级线阵停止计数，除最后一级单级线阵之外的其他各级单级线阵将获得的当前计数值转移到下一级单级线阵，最后一级单级线阵将获得的当前计数值输出；在所述反向转移模式下，每一级单级线阵停止计数，除第一级单级线阵之外的其他各级单级线阵将获得的当前计数值转移到上一级单级线阵，第一级单级线阵将获得的当前计数值输出。2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光信号是光子，每个像素包括：像素单元，检测所述光子并输出脉冲信号，其中脉冲信号的数量与光子的数量相关；计数器，接收像素单元输出的脉冲信号，响应于所述第一控制信号对脉冲信号的数量进行计数并获得所述计数值，以及响应于所述第二控制信号停止计数并且输出获得的当前计数值。3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，像素单元包括单光子雪崩二极管SPAD，其中SPAD连接到一反向偏置电压使得该SPAD工作在盖革模式下。4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，每个像素还包括：与SPAD连接的淬灭电路，在SPAD接收到单个光子发生雪崩击穿后，降低SPAD的反向偏置电压使得雪崩淬灭，并且输出一脉冲信号。5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，每个像素还包括：与淬灭电路连接的脉冲整形电路，对淬灭电路输出的脉冲信号进行整形，并且向计数器输出数字脉冲信号。6.根据权利要求1
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5任一项所述的图像传感器，还包括：锁存电路，响应于所述第二控制信号，在正向转移模式下对最后一级单级线阵输出的计数值进行锁存，在反向转移模式下对第一级单级线阵输出的计数值进行锁存；地址选择电路，读取锁存电路锁存的计数值，供后级处理电路基于计数值生成图像信息。7.根据权利要求1
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5任一项所述的图像传感器，还包括：时序控制电路，生成所述第一控制信号和所述第二控制信号包括方向控制信号,并将其提供给多级线阵阵列中的每一级。8.根据权利要求2
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5任一项所述的图像传感器，其中，在每个单级线阵中，像素单元和计数器分别沿阵列方向形成像素单元线阵和计数器线阵。9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，像素单元线阵和计数器线阵在多级线阵阵列中彼此交替排布，并且被布置在同一层上；或者像素单元线阵和计数器线阵分别形成像素单元阵列和计数器阵列，并且像素单元阵列
和计数器阵列被布置在同一层上，像素单元阵列中的像素单元和计数器阵列中的对应计数器进行电连接。10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，像素单元线阵和计数器线阵分别形成像素单元阵列和计数器阵列，并且像素单元阵列和计数器阵列被布置在不同层上。11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中，像素单元阵列和计数器阵列基于3D堆栈工艺被布置在不同层上，并且像素单元阵列中的像素单元和计数器阵列中的对应计数器进行电连接。12.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述淬灭电路和所述脉冲整形电路中的至少一个被集成在所述像素单元中。13.根据权利要求6所述的图像传感器，其中，计数器包括多级级联的触发单元，其中，在多级级联的触发单元中，每一级触发单元包括一触发器、与触发器连接的第一数据选择器以及第二数据选择器，其中，每级触发器包括：数据输入端，连接第一数据选择器的输出端；时钟输入端，连接第二数据选择器的输出端；第一输出端，输出计数脉冲；以及第二输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛成，孙昕，孔祥顺，闫锋，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：