專利名稱：能夠模擬和數(shù)字求和的刷卡機(jī)線性圖像傳感器及對(duì)應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用信號(hào)積分的掃描線性圖象傳感器(或TDI傳感器，來(lái)自表達(dá)“時(shí)間延遲積分線性傳感器”)，其中通過由多條感光行所拍攝的連續(xù)圖像的相加來(lái)重構(gòu)來(lái)自所觀察的場(chǎng)景的一行點(diǎn)的圖像，當(dāng)場(chǎng)景垂直于行移動(dòng)穿過傳感器時(shí)，所述多條感光行相繼觀察場(chǎng)景的同一行。
背景技術(shù)：
例如，這些傳感器用于基于衛(wèi)星的地球觀察系統(tǒng)。它們包括多條平行的感光像素行；相對(duì)于場(chǎng)景和傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)同步不同行的控制電路的排序(用于控制曝光時(shí)間和用于讀取光生電荷的時(shí)間)，以便傳感器的所有行看見所觀察的場(chǎng)景的單個(gè)行。然后，對(duì)所觀察的行的每一點(diǎn)，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式將所產(chǎn)生的信號(hào)相加。以傳感器的行的數(shù)量N的平方根的比提高理論信噪比。這個(gè)數(shù)量可以取決于應(yīng)用(工業(yè)控制、地面觀察、全景牙科放射照相或乳房放射照相)而在數(shù)行至約一百行之間變化。在電荷轉(zhuǎn)移傳感器(CXD傳感器)中，通過與場(chǎng)景和傳感器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)同步，將在前一像素行中產(chǎn)生并累加的電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)至一行像素中，以沒有讀取噪聲的自然方式將信號(hào)逐點(diǎn)地相加。隨后，可以將具有累加的N倍的由所觀察的場(chǎng)景行所產(chǎn)生的電荷的最后一行像素轉(zhuǎn)移至輸出寄存器，并且在讀取步驟期間，將其轉(zhuǎn)換為電流或電壓。已經(jīng)在利用由至少兩層多晶硅制成的相鄰傳輸門的常規(guī)技術(shù)中使用了這種類型的電荷轉(zhuǎn)移傳感器，第二層部分地覆蓋第一層，還在利用當(dāng)今制造CMOS邏輯集成電路的方法更加兼容的單個(gè)多晶硅柵極層的技術(shù)中使用了該電荷轉(zhuǎn)移傳感器。顯然，如果每一像素必須能夠存儲(chǔ)從N個(gè)像素接收到的電荷的相加所產(chǎn)生的電荷，則其必須具有比如果它僅必須存儲(chǔ)其自身的電荷高得多的存儲(chǔ)容量。否則將會(huì)存在像素飽和的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免這種情況，必須增大像素的尺寸，由此對(duì)傳感器的分辨率產(chǎn)生不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了在沒有過高噪聲的情況下進(jìn)行電荷積分，同時(shí)允許在沒有從其它像素接收累加電荷的像素的過高飽和的風(fēng)險(xiǎn)的情況下的電荷相加，本發(fā)明提出了一種用于操作能夠求和的掃描圖像傳感器的方法，所述掃描圖像傳感器允許由多行感光像素的行相繼對(duì)同一圖像行的同步讀取以及對(duì)由不同行讀取且對(duì)應(yīng)于所述同一像素行的信號(hào)的逐像素求和。在此方法中，提出了將像素的行劃分成多個(gè)組；通過(在列中)從像素至像素地逐步累加對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)的電荷的電荷轉(zhuǎn)移，在行的每一組中以模擬的方式執(zhí)行所述求和；讀取電路讀取每一組的最后一行像素的電荷，其中所述讀取電路與所述最后一行關(guān)聯(lián)；所述讀取電路對(duì)每一像素執(zhí)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換；由列導(dǎo)線(列導(dǎo)線的數(shù)量等于每一行的像素的數(shù)量)向相應(yīng)的數(shù)字化電路發(fā)送所述轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的模擬信號(hào)，所述數(shù)字化電路針對(duì)每一列建立對(duì)應(yīng)于每一模擬信號(hào)(即，行的每一組)的數(shù)字值，并且在每一列中將對(duì)應(yīng)于行的各個(gè)組的多個(gè)數(shù)字值加在一起，所述行的各個(gè)組在所述掃描期間已經(jīng)看見所述同一圖像行。因此，由電荷轉(zhuǎn)移和像素組中的累加的低噪聲的模擬求和與模擬求和的結(jié)果的數(shù)字求和結(jié)合，所有這些求和與在掃描期間所觀察的同一像素行有關(guān)。更精確地，本發(fā)明提出了一種能夠求和的掃描圖像傳感器，其允許由多行感光像素相繼對(duì)同一圖像行的同步讀取以及對(duì)由不同行讀取的信號(hào)的逐像素求和，其特征在于，所述傳感器包括-M組的陣列，每組具有N行像素，每行具有P個(gè)像素，所述陣列產(chǎn)生與照度成比例的電荷，這些像素布置在第j列中的P個(gè)電荷轉(zhuǎn)移寄存器中，其中j在I至P之間變化，允許將第m (m=l至M)組的第j列的N個(gè)像素中所收集的電荷逐步累加在所述組的第N行像素的第j個(gè)像素中，-在像素陣列內(nèi)，用于讀取一組像素的第N行的P個(gè)像素中所收集的電荷的M行讀取電路(READm, j),每行具有P個(gè)讀取電路，第m行的讀取電路以行布置，且所述行的每一第j (j = I至P)個(gè)讀取電路連接至相應(yīng)的第j個(gè)列導(dǎo)線，所述列導(dǎo)線為不同行的所有的第j個(gè)讀取電路所共用，以便在所述導(dǎo)線上提供模擬電信號(hào)，所述模擬電信號(hào)基于在像素行的任一組的第N行的第j個(gè)像素中所累加的電荷，-在所述像素陣列外部，M行數(shù)字化電路，每行具有P個(gè)數(shù)字化電路，所述行的第j個(gè)數(shù)字化電路包括用于采樣出現(xiàn)在第j個(gè)列導(dǎo)線上的模擬信號(hào)的采樣器以及用于提供所述模擬信號(hào)的數(shù)字值的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及-數(shù)字值的求和裝置，所述求和裝置能夠?qū)乃鲛D(zhuǎn)換器獲得的且對(duì)應(yīng)于多個(gè)模擬信號(hào)的采樣的數(shù)字值加在一起，所述多個(gè)模擬信號(hào)全部對(duì)應(yīng)于對(duì)所觀察的圖像行中的第j個(gè)同一圖像點(diǎn)的觀察。這種結(jié)構(gòu)將N個(gè)連續(xù)的行上的具有低噪聲的模擬電荷求和與所述模擬求和的結(jié)果的數(shù)字求和結(jié)合，這種數(shù)字求和可以實(shí)現(xiàn)高速。設(shè)置在每一組的N行像素之后的讀取電路是電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路，借助于所述讀取電路，能夠?qū)⒈硎居梢涣兄械腘個(gè)像素所累加的電荷的電位轉(zhuǎn)移至列導(dǎo)線。在原理上，這些讀取電路包括電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、用于將第N行像素的電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)至所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移晶體管、用于重新初始化所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的晶體管、用于產(chǎn)生表示所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的電荷量的電位的跟隨器晶體管、以及行選擇晶體管，其用于在M行之中選擇一行讀取電路并且在將要在數(shù)字化電路中對(duì)所述電位進(jìn)行采樣的時(shí)刻將所述行的所述讀取電路的所述跟隨器晶體管連接至相應(yīng)列導(dǎo)線。形成基本數(shù)字化電路的一部分的采樣器包括用于首先存儲(chǔ)在被施加至讀取電路的重新初始化晶體管的重新初始化脈沖之后的電壓基準(zhǔn)電平、并然后存儲(chǔ)在被施加至所述轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移脈沖之后的信號(hào)電平的裝置；然后所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換這兩個(gè)電平之間的差。所述重新初始化脈沖和所述轉(zhuǎn)移脈沖為M行的所有讀取電路所共用，并且這些脈沖的周期對(duì)應(yīng)于對(duì)像素行中的電荷進(jìn)行積分所花費(fèi)的時(shí)間。求和裝置優(yōu)選地分布在所述數(shù)字化電路中。因此，在第m行的第j個(gè)基本數(shù)字化電路中存在基本求和裝置；其將從第m行的組的電荷的模擬求和的轉(zhuǎn)換所獲得的當(dāng)前數(shù)字 值與先前從第m-Ι個(gè)數(shù)字化電路的組所獲得數(shù)字值相加。存在于每一數(shù)字化電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地是斜坡轉(zhuǎn)換器，所述斜坡轉(zhuǎn)換器包括比較器和計(jì)數(shù)器，當(dāng)將電壓斜坡施加至所述比較器的輸入端時(shí)，所述計(jì)數(shù)器以固定速率進(jìn)行計(jì)數(shù)直到所述比較器被觸發(fā)為止。第m行第j列的數(shù)字化電路的所述計(jì)數(shù)器的輸出端連接至第m+1行同一第j列的數(shù)字化電路的所述計(jì)數(shù)器的初始化輸入端，使得所述斜坡的末端處的第m+1個(gè)電路的所述計(jì)數(shù)器的內(nèi)容對(duì)應(yīng)于由一組的N個(gè)像素所接收的光量與第m個(gè)所述計(jì)數(shù)器的先前內(nèi)容(對(duì)應(yīng)于已經(jīng)看見同一圖像點(diǎn)的另一組N個(gè)像素)的相加。可以布置使讀取電路行并入可以是感光的或者可以是不感光的像素行中，這樣構(gòu)造以便以選擇性的方式允許在N行的組的最后一行像素與下一組的第一行像素之間的電荷轉(zhuǎn)移、或者從一組的最后一行像素至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)，以便對(duì)所轉(zhuǎn)儲(chǔ)的電荷進(jìn)行讀取和數(shù)字化。在具體實(shí)施例中，提供了用于檢測(cè)存在于第m組像素的第N行像素的第j個(gè)像素中的電荷量的裝置、以及用于在所述電荷量超出閾值時(shí)讀取第m行第j列的讀取電路中的這些電荷或者在所述電荷量低于所述閾值時(shí)將這些電荷轉(zhuǎn)移至第m+1組像素的第一行像素而不讀取這些電荷的裝置。 讀出電路行可以集成在感光像素的第N行中。應(yīng)當(dāng)注意，已經(jīng)提出了對(duì)應(yīng)于第j個(gè)累加器寄存器中第j行的像素的數(shù)字值的求和，所述累加器寄存器累加對(duì)應(yīng)于N個(gè)連續(xù)行的同一第j列像素的數(shù)字值(在專利FR 2 906080中)。在此方法中，像素是有源CMOS像素(而不是電荷轉(zhuǎn)移像素)，其中在像素內(nèi)執(zhí)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換。將產(chǎn)生的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且用于與掃描同步的信號(hào)積分的信號(hào)的相加是從像素獲得的信號(hào)的數(shù)字相加。這些轉(zhuǎn)換和數(shù)字相加使噪聲提升至非常高的水平，本發(fā)明通過減少數(shù)字相加而大大減小了噪聲水平，同時(shí)保持更大的求和總數(shù)量。


通過參照附圖的以下詳細(xì)描述揭示了本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中-圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的大體架構(gòu)，-圖2示出了架構(gòu)的變型，以及-圖3示出了變型的細(xì)節(jié)，其中讀取電路與感光像素行集成。
具體實(shí)施例方式圖I示出了傳感器的大體架構(gòu)。該圖的上部是感光部分。其包括M個(gè)組，每組具有N行，每行具有P個(gè)感光像素。組從I到M編號(hào)，像素行的組用帶有從I到M的下標(biāo)的TDI表示=TDI1到了01 。各個(gè)讀取電路按如下設(shè)置在每?jī)蓚€(gè)連續(xù)組之間=READ1與組TDI1關(guān)聯(lián)且位于后者與組TDI2之間；類似地，READ2與組TDI2關(guān)聯(lián)等等，直到READm位于組TDIm之后且與后者關(guān)聯(lián)。如果期望傳感器在任一掃描方向上同樣良好地操作，則可以可選地在組TDI1之前設(shè)置電路READ。。每一組TDIm都由N行P列的陣列構(gòu)成，其中m是表示M之中的組的下標(biāo)；按照慣例，像素Pm, i,」位于第m組(其中m在I至M之間變化)中在第i行(其中i在I至N之間變化)與第j列(其中j在I至P之間變化)的交叉處。像素的網(wǎng)格是以列電荷轉(zhuǎn)移模式操作的網(wǎng)格；換言之，在每一持續(xù)時(shí)間為T的單位積分時(shí)間之后，將存在于第i行像素中的電荷(包括在時(shí)間T期間該行的照度所產(chǎn)生的電荷)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至緊接著的更高的第i+Ι行中；這對(duì)于所有行來(lái)說是同時(shí)進(jìn)行的，以此方式將緊接著的前一第i-1行的電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)至第i行中，并且替代轉(zhuǎn)儲(chǔ)至第i+Ι行的那些電荷。對(duì)于第一行而言，不替代已經(jīng)放電的電荷，因此在積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，僅存在時(shí)間T期間像素中的光的積分所產(chǎn)生的電荷；對(duì)于第i行而言，在持續(xù)時(shí)間為T的積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，存在于該行中的電荷是在已經(jīng)過去的i個(gè)積分時(shí)間期間在第I行至第i行中積分的電荷的總和。與時(shí)間T同步相對(duì)于傳感器移動(dòng)圖像，以此方式在i個(gè)周期T期間i個(gè)行的像素看見了同一圖像行。在每一積分時(shí)間之后將對(duì)應(yīng)于同一圖像行的N次觀察的累加的最后一行的電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)至讀取電路READm中，使得可以在那里讀取這些電荷；將會(huì)看到的是，在優(yōu)選實(shí)施例中，可以選擇是否讀取這些電荷(然后銷毀這些電荷)，或者相反，可以將這些電荷轉(zhuǎn)移向行的下一第m+1組，以便繼續(xù)積分，在照度較弱的地方后者的轉(zhuǎn)移是有用的。使電荷可以以此方式轉(zhuǎn)移的感光像素的布置是眾所周知的；這種布置對(duì)每一像素行使用多個(gè)電極，這些電極沿像素行延伸并且提供有在對(duì)于每一像素行是相同的兩個(gè)值之間交替的電位，以此方式對(duì)組的所有行同時(shí)進(jìn)行從一行至另一行的電荷運(yùn)動(dòng)，即使是對(duì)于不同組的所有行也是如此。電極控制勢(shì)阱和勢(shì)壘的形成以及從一個(gè)勢(shì)阱至另一勢(shì)阱的電荷 運(yùn)動(dòng)。未示出這些電極，并且將提供與圖像的掃描同步的電荷轉(zhuǎn)移的電極的所有控制信號(hào)或“控制相位”簡(jiǎn)單表示為術(shù)語(yǔ)ΦΤΜ。ΦΤΙ)Ι相位對(duì)于所有行的組的所有像素行是相同的。一些常規(guī)電荷轉(zhuǎn)移像素技術(shù)使用兩層多晶硅柵極，其中第一層部分地被第二層覆蓋(以便提供更有效的電荷轉(zhuǎn)移)。另外，更近期的技術(shù)僅使用一層多晶硅；這種技術(shù)具有與MOS或CMOS晶體管集成電路技術(shù)更加兼容的優(yōu)點(diǎn)，并且因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的傳感器的架構(gòu)需要使用MOS晶體管讀取電路，所以這些技術(shù)是優(yōu)選的。與組TDIm關(guān)聯(lián)的讀取電路READm包括P個(gè)基本讀取電路READnbj,陣列TDIm中每一列像素的都有一個(gè)讀取電路。每一第j個(gè)(j = I至j = P)基本讀取電路是執(zhí)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換的晶體管電路，以便將表示存在于組TDIm的最后一行的第j個(gè)像素中的電荷量的電位轉(zhuǎn)移至第j個(gè)列導(dǎo)線Ccj。因此，通過與用于常規(guī)電荷轉(zhuǎn)移陣列的讀取電路相比，讀取電路不是從陣列的最后一行收集電荷并將其發(fā)送至單個(gè)轉(zhuǎn)換電路的“水平”電荷轉(zhuǎn)移移位寄存器。圖I中示出了(與第一組TDI1關(guān)聯(lián)的)第j列的基本讀取電路READuj的細(xì)節(jié)。其包括將會(huì)轉(zhuǎn)儲(chǔ)來(lái)自組TDI1的第N個(gè)像素Pun, j的電荷的中間存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)ND、用于執(zhí)行該轉(zhuǎn)儲(chǔ)的轉(zhuǎn)移晶體管Tl、用于在轉(zhuǎn)儲(chǔ)之后使來(lái)自存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電荷放電的重新初始化晶體管T2、用于將電荷轉(zhuǎn)換為電壓的跟隨器晶體管T3、以及用于當(dāng)將要使表示存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中所累加的電荷的電位轉(zhuǎn)移至該導(dǎo)線時(shí)將跟隨器晶體管連接至列導(dǎo)線Ccj的組選擇晶體管T4。如果有必要，設(shè)置第二轉(zhuǎn)移晶體管T5來(lái)在相反方向上(從組TDI2朝向讀取電路READ1)轉(zhuǎn)移來(lái)自存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電荷。由信號(hào)TRAa控制的轉(zhuǎn)移晶體管Tl將最后一行像素的電荷存儲(chǔ)區(qū)連接至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)ND (浮置擴(kuò)散)。受信號(hào)RST控制的重新初始化晶體管將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)連接至基準(zhǔn)電位處的放電漏極。跟隨器晶體管T3的柵極連接至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其漏極連接至電源電位，其源極連接至選擇晶體管T4的漏極，受選擇信號(hào)SEL1 (用于讀取電路READuj)控制的選擇晶體管將跟隨器晶體管T3的源極連接至列導(dǎo)線Ccj。選擇信號(hào)SEL1為整行讀取電路READlij所共用。如果存在的話，第二轉(zhuǎn)移晶體管T5可以由信號(hào)TRAb導(dǎo)通。
在像素的列的方向上，讀取電路READni占據(jù)了等于一行像素的高度或者該高度的數(shù)倍的高度，從而當(dāng)圖像行相繼穿過行的不同組時(shí)，可以在圖像行的掃描與積分時(shí)間T之間保持同步。以上完成了對(duì)傳感器的感光部分的描述。圖I中的圖的下部示出了傳感器的數(shù)字化和數(shù)字求和部分。這部分包括若干行數(shù)量上等于像素行的組數(shù)的數(shù)字化電路，即等于M。數(shù)字化電路的行表示為ADC1至八0(^。每一行包括P個(gè)基本數(shù)字化電路ADCnujt5還設(shè)置了數(shù)字求和電路，以基于數(shù)字化電路的輸出來(lái)執(zhí)行加法。第j = I至j = P個(gè)基本數(shù)字化電路的輸入端是列導(dǎo)線Ccj。借助于基本讀取電路，將對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)的N個(gè)電荷量的相加所產(chǎn)生的電位施加至第j個(gè)列導(dǎo)線。對(duì)于像素行的不同組，將電位相繼施加至列導(dǎo)線，并且由于存在均與相·應(yīng)列導(dǎo)線關(guān)聯(lián)的、并行操作的P個(gè)基本讀取電路，所以每次對(duì)于像素的所有列同時(shí)這樣做。對(duì)于N行的每一組，電位轉(zhuǎn)移至列導(dǎo)線的重復(fù)間隔是積分時(shí)間T，并且所有的組都必須在該時(shí)間T期間被相繼讀取。因此，在每一時(shí)間T，讀取序列包括讀取電路READ1至READm的連續(xù)尋址，以將從像素行的M個(gè)組中的每一組的最后的第N行所獲得的數(shù)據(jù)相繼轉(zhuǎn)移至列導(dǎo)線。因此，讀取電路選擇信號(hào)SEL1至SELm按順序出現(xiàn)。重新初始化信號(hào)RST可以為整個(gè)傳感器所共用；或者它們可以是單獨(dú)的。轉(zhuǎn)移信號(hào)TRAa或TRAb為整個(gè)傳感器所共用。數(shù)字化電路ADC1至ADCm的每一行與讀取電路READ1至READm的相應(yīng)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)列導(dǎo)線從第m個(gè)讀取電路接收到待數(shù)字化的電位時(shí)，為了數(shù)字化，對(duì)第m行的數(shù)字化電路進(jìn)行操作。為此目的，數(shù)字化電路ADCm受與用于選擇第m個(gè)讀取電路相同的選擇信號(hào)SELm控制。圖I示出了第I行第j列的基本數(shù)字化電路ADCy的可能示例的細(xì)節(jié)，基本數(shù)字化電路ADC1, j與同一行同一列的基本讀取電路READ1, j關(guān)聯(lián)。其包括設(shè)計(jì)為執(zhí)行雙采樣的采樣和保持電路以及斜坡型(ramp-type)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采樣器包括兩個(gè)電容器Cl和C2以及晶體管開關(guān)；斜坡轉(zhuǎn)換器包括以時(shí)鐘CLK所設(shè)定的恒定速率計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器CPT以及控制計(jì)數(shù)器的停止的比較器CMP。采樣器的電容器Cl的一端連接至基準(zhǔn)電位，另一端連接至可以將其連接至列導(dǎo)線Ccj的開關(guān)。該開關(guān)受第一信號(hào)SHR1控制，該第一信號(hào)SHR1為第I行的P個(gè)采樣器所共用。電容器C2的一端接收線性斜坡電壓，該線性斜坡電壓從與用于電容器Cl的基準(zhǔn)電位相同的基準(zhǔn)電位開始。在其另一端，其由開關(guān)連接至列導(dǎo)線Ccj。該開關(guān)受為整個(gè)第I行所共用的信號(hào)SHR1控制。然而，通過上述兩個(gè)開關(guān)，電容器未直接連接至列導(dǎo)線。受信號(hào)SEL1控制的選擇開關(guān)使得僅在有關(guān)的行的選擇期間連接電容器，在此情況下，該行為第I行。對(duì)數(shù)字化電路的給定行ADCm的采樣發(fā)生在以下兩個(gè)步驟中a)在重新初始化讀取電路的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)ND之后，選擇該行，對(duì)該行建立信號(hào)SHR，由此對(duì)應(yīng)于該行的重新初始化電平存儲(chǔ)在電容器Cl中，由于同一行READm的讀取電路，該電平在此時(shí)出現(xiàn)在列導(dǎo)線上，并且對(duì)第I行至第m行的所有行重復(fù)這些操作；
b)存在朝向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的對(duì)整個(gè)陣列(TRAa)的全局電荷轉(zhuǎn)移，且再次選擇該行(SELm激活)，對(duì)該行建立信號(hào)SHSm,由此對(duì)應(yīng)于該行的有用信號(hào)電平存儲(chǔ)在電容器C2中，由于被再次選擇的讀取電路READm，該電平出現(xiàn)在列導(dǎo)線上，然后，對(duì)所有行重復(fù)這些操作。在此階段，對(duì)于第I行至第m行中每一行的每一基本電路而言，電容器含有重新初始化電位電平和有用信號(hào)電位電平。由這些電平充電的電容器的端子連接至比較器CMP的輸入端。然后對(duì)整個(gè)陣列觸發(fā)施加至電容器C2的轉(zhuǎn)換斜坡RMP。假定在該點(diǎn)處，有用信號(hào)電位比基準(zhǔn)電位更負(fù)，并使用從基準(zhǔn)電位上升的電壓斜坡；基準(zhǔn)電位表示有用信號(hào)的最大可能電平。在觸發(fā)斜坡的開始的同時(shí)觸發(fā)由計(jì)數(shù)器CPT的計(jì)數(shù)。斜坡導(dǎo)致在比較器的一個(gè)輸入端的電位上升。當(dāng)此輸入端的電位達(dá)到另一輸入端的電位時(shí)，比較器進(jìn)行切換并中斷計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的最終內(nèi)容是與有用電位電平和重新初始化電平之間的差成比例的數(shù)字值。因此，它表示利用相關(guān)雙采樣的數(shù)字化的結(jié)果。 對(duì)于傳感器的所有數(shù)字化電路同時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘CLK為所有的數(shù)字化電路所共用。斜坡RMP也可以為所有的電路所共用。以周期T周期地執(zhí)行該轉(zhuǎn)換，周期T是在所有的電容器C2都已經(jīng)充電至有用值的時(shí)刻與新的重新初始化值開始在讀取電路中讀取的時(shí)刻之間的時(shí)段。在此時(shí)，數(shù)字化電路的所有計(jì)數(shù)器都包含數(shù)字值。電荷移位和積分操作需要對(duì)應(yīng)于由傳感器的同一列像素的不同像素觀察同一圖像點(diǎn)的所有數(shù)字值的相加。因此，為了該求和的目的，從計(jì)數(shù)器提取數(shù)字值。在一般情況下，存儲(chǔ)在同一列的各個(gè)計(jì)數(shù)器中的數(shù)字值不對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)，這是因?yàn)樵诘趍個(gè)讀取電路與第m+1個(gè)讀取電路對(duì)圖像點(diǎn)的觀察之間存在N個(gè)周期的時(shí)間移位。因此，必須存儲(chǔ)各個(gè)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容，然后將對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)的內(nèi)容加起來(lái)。在存儲(chǔ)器MEM中對(duì)每一行進(jìn)行該存儲(chǔ)。在已經(jīng)讀取計(jì)數(shù)器的內(nèi)容之后，將計(jì)數(shù)器的內(nèi)容復(fù)位為零，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诿恳恢芷赥必須接收新的數(shù)據(jù)元素。在定序器SEQ的控制下，由加法器ADD執(zhí)行數(shù)字加法，定序器SEQ確定將要執(zhí)行哪個(gè)加法，以便將對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)加起來(lái)。加法器的輸出S表示期望的圖像。由于加法的定序相對(duì)復(fù)雜，且需要大的存儲(chǔ)容量，所以在不同實(shí)施例中，優(yōu)選地可以在讀取之后不將計(jì)數(shù)器的內(nèi)容復(fù)位為零，而是在每次轉(zhuǎn)換之前將初始值加載至計(jì)數(shù)器中，該初始值已經(jīng)表示由先前的N行的組對(duì)于同一圖像點(diǎn)所獲得數(shù)字值的累加。然后，計(jì)數(shù)器從該初始值開始計(jì)數(shù)，其最終內(nèi)容表示該圖像點(diǎn)的補(bǔ)充累加。將該內(nèi)容發(fā)送至數(shù)字化電路的下一行，但是有對(duì)應(yīng)于像素的N行的移位的NXT的延遲，以便在下一計(jì)數(shù)器需要轉(zhuǎn)換仍然對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)的值的時(shí)刻將初始值加載至該下一計(jì)數(shù)器中。以與數(shù)字化電路的最后一行的計(jì)數(shù)器相同的方式繼續(xù)該過程，該數(shù)字化電路的最后一行全部都含有M個(gè)數(shù)字值的累加，該M個(gè)數(shù)字值全部都對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)，這M個(gè)數(shù)字值是電荷自身的轉(zhuǎn)換，該電荷是由已經(jīng)看見同一圖像點(diǎn)的N個(gè)像素所提供的電荷的累加。圖2示出了該解決方案的實(shí)施例第m行數(shù)字化電路由N行數(shù)字寄存器與下一第m+1行分離，該數(shù)字寄存器操作為具有移位周期T的在垂直方向上的移位寄存器將第m行計(jì)數(shù)器的內(nèi)容轉(zhuǎn)移至第一行寄存器中，然后在每一周期將前一行寄存器的內(nèi)容轉(zhuǎn)移至下一行中。在N個(gè)周期結(jié)束時(shí)，將最后一行寄存器的內(nèi)容作為數(shù)字初始化值應(yīng)用于第m+1行的數(shù)字化電路的計(jì)數(shù)器中。在轉(zhuǎn)換期間，計(jì)數(shù)器從該值開始計(jì)數(shù)。接著數(shù)字化電路ADCm的行的N行數(shù)字寄存器的組表示為SHIFTREGm。在行ADCm之后沒有移位寄存器，這是因?yàn)樵撔械挠?jì)數(shù)器含有所需要的數(shù)字值的累加。示出了在第2行第j列的基本數(shù)字化電路ADC2,」的細(xì)節(jié)；類似于圖I的基本數(shù)字化電路且以相同的方式操作，但是存在用于計(jì)數(shù)器的初始化輸入端，該輸入端接收前一Shiftreg1的移位寄存器的第N行的輸出；計(jì)數(shù)器的輸出端連接至后一 Shiftreg2的移位寄存器的寄存器的第一行。對(duì)于圖I的電路，如對(duì)于圖2的電路，明顯的是，如果需要雙向掃描傳感器，則需要另外的讀取電路READtl，并且必須重新配置讀取電路和對(duì)應(yīng)的數(shù)字化電路的選擇的同步為了在與已經(jīng)描述的方向相反的方向上掃描，第m組的第一行含有同一行的N次采集的累加，并且第m-Ι個(gè)讀取電路將會(huì)讀取該累加，但是第m行的數(shù)字化電路將會(huì)使該累加數(shù)字化。因 此，除非為了數(shù)字化而提供第O行的補(bǔ)充行，否則第m-Ι個(gè)讀取電路的選擇信號(hào)SEL必須與第m個(gè)數(shù)字化電路的選擇信號(hào)同步。在另一方向上，第m個(gè)讀取電路的選擇與第m個(gè)數(shù)字化電路的選擇同步。在上文中，假設(shè)讀取電路READm的行是僅含有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和上述五個(gè)晶體管的電子線路的行。讀取電路的行可以同樣良好地布置為以電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域的形式的行，該電荷轉(zhuǎn)移區(qū)域允許在N行的兩個(gè)組之間的直接轉(zhuǎn)移。在此情況下，無(wú)需提供轉(zhuǎn)移晶體管TRAa和TRAb;這些是由像素之間的普通傳輸門所代替。也可以將讀取電路行布置為感光像素行，其中將通常保留為用于感光電荷生成的表面的部分用于容納與感光表面的其余部分電隔離的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。圖3示出了該解決方案。例如，在這里可以看到在N行的第m個(gè)和第m+1個(gè)的兩個(gè)連續(xù)組之間的通道區(qū)。示出了一列第j列的像素，其具有像素Pm^j (組m的倒數(shù)第二行)、Pm,w (最后一行(下一組m+1的第一和第二行)。緊接著第N個(gè)像素Pffl,N, j之后示出了形成第m個(gè)讀取電路的部分的重新初始化晶體管T2、跟隨器晶體管T3和選擇晶體管T4。將像素象征性地示出為由傳輸門12所分離的光子捕獲區(qū)10，但實(shí)際上像素可能會(huì)更復(fù)雜。第N個(gè)像素的表面部分地用于產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)ND (其可以是在襯底P中的N+型擴(kuò)散)。該節(jié)點(diǎn)ND由作為參照?qǐng)DI所提及的傳輸門TRAa的門14所隔離，即用于將電荷從第N個(gè)像素轉(zhuǎn)移向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的門。如參照?qǐng)DI所解釋的，節(jié)點(diǎn)連接至跟隨器晶體管T3的柵極以及重新初始化晶體管的源極?？梢钥闯?，在這種布置的情況下，存儲(chǔ)在第N個(gè)像素中的電荷自然地向行的下一組的第一個(gè)像素行進(jìn)，除非將它們偏轉(zhuǎn)向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。可以選擇性地控制門14以允許電荷通過，以繼續(xù)模擬電荷的累加，或使它們偏轉(zhuǎn)向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以便將它們數(shù)字化。特別地，可以布置為如果電荷量較少則允許電荷通過，如果量較大則使電荷偏轉(zhuǎn)向存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。在第一種情況下，電荷沿其路徑前進(jìn)并且與來(lái)自下一組的行的像素的電荷累加；它們不經(jīng)歷模數(shù)轉(zhuǎn)換且不數(shù)字地相加；它們以具有低噪聲的模擬方式繼續(xù)累加。在第二種情況下，使電荷數(shù)字化，并執(zhí)行數(shù)字求和。也可以使用門14的適當(dāng)極化以測(cè)試存在于像素中的電荷量選擇門14的恒定極化以在第N個(gè)像素中產(chǎn)生一些電荷，超過閾值量，自然地溢出到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中；然后檢測(cè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位以便測(cè)試電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)的存在；如果已經(jīng)存在自然轉(zhuǎn)儲(chǔ)，則認(rèn)為存在太多電荷，因此必須讀取電荷，將其數(shù)字化，并將其數(shù)字地與像素行的其它組的數(shù)字化的電荷相加；在此情況下，將用于第N個(gè)像素與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的勢(shì)壘的完整開口的信號(hào)施加至門，并且讀取所收集的電荷。在另一方面，如果沒有檢測(cè)到電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)，則認(rèn)為可以繼續(xù)進(jìn)入到行的下一組中的模擬積分，并且不讀取第N個(gè)像素中所含有的電荷；電荷從組m的第N個(gè)像素移動(dòng)向下一組的第一個(gè)像素。將第N個(gè)感光行用作讀取行的解決方案僅在像素大到足以包含讀取電路的晶體管和電荷存儲(chǔ)表面這兩者而沒有擾亂從第N-I個(gè)像素向第N個(gè)像素以及從后者向行的下一組的電荷的轉(zhuǎn)移的情況下是可能的。應(yīng)當(dāng)注意，第N個(gè)像素的存儲(chǔ)表面10不必要是感光的；其可以被不透明層遮蔽，并且在此情況下，電荷的積分僅出現(xiàn)在第N-I個(gè)像素上，但是就好像它是電荷轉(zhuǎn)移型的感光像素一樣形成了存儲(chǔ)表面，也就是說其允許從行的第m組至下一 組的電荷轉(zhuǎn)移。在這些不同實(shí)施例中，在某些情況下可以設(shè)置行N的數(shù)量在各組之間互不相同。顯然，在圖2的實(shí)施例中的數(shù)字寄存器的行數(shù)仍將匹配像素行的關(guān)聯(lián)組中的行數(shù)。已經(jīng)描述了采樣器，就好像每個(gè)采樣器均具有兩個(gè)分別存儲(chǔ)重新初始化電平和有用信號(hào)電平的電容器，但是也可以使用具有相繼存儲(chǔ)兩個(gè)電平的單個(gè)電容器的采樣器。應(yīng)當(dāng)注意的是，由所有的M個(gè)數(shù)字化電路相繼轉(zhuǎn)換同一像素行，該M個(gè)數(shù)字化電路對(duì)于所有的像素轉(zhuǎn)換誤差達(dá)到平均數(shù)。在圖2的實(shí)施例中，可以通過向第一行計(jì)數(shù)器發(fā)送測(cè)試序列以檢查其至最后一行的傳播來(lái)獨(dú)立地測(cè)試像素陣列的讀取電路。該傳感器可以適合于通過修改轉(zhuǎn)換器斜坡的梯度來(lái)平均亮度水平。適合于平均亮度水平的另一方法是，減少在亮度水平較高處所使用的數(shù)字轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)量，并簡(jiǎn)單使用在M'級(jí)(M'〈M)中加在一起的數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以構(gòu)造在背面(在其上制造傳感器電路的晶體管的正面的相反面)上照亮的減薄厚度的襯底上。
權(quán)利要求
1.一種能夠求和的掃描圖像傳感器，其允許由多行感光像素相繼對(duì)同一圖像行的同步讀取以及對(duì)由不同行讀取的信號(hào)的逐像素求和，其特征在于，所述傳感器包括 -M組的陣列，每組具有N行像素，每行具有P個(gè)像素，所述陣列產(chǎn)生與照度成比例的電荷，這些像素布置在第j列中的P個(gè)電荷轉(zhuǎn)移寄存器中，其中j在I至P之間變化，允許將第m組的第j列的N個(gè)像素中所收集的電荷逐步累加在所述組的第N行像素的第j個(gè)像素中,其中m在I至M之間變化， -在像素陣列內(nèi)，用于讀取一組像素的第N行的P個(gè)像素中所收集的電荷的M行讀取電路(READm, P，每行具有P個(gè)讀取電路，第m行的讀取電路以行布置，且所述行的每一第j個(gè)讀取電路連接至相應(yīng)的第j個(gè)列導(dǎo)線(Ccj)，所述列導(dǎo)線(Ccj)為不同行的所有的第j個(gè)讀取電路所共用，以便在所述導(dǎo)線上提供模擬電信號(hào)，所述模擬電信號(hào)基于在像素行的任一組的第N行的第j個(gè)像素中所累加的電荷， -在所述像素陣列外部，M行數(shù)字化電路(ADCm, P，每行具有P個(gè)數(shù)字化電路，所述行的第j個(gè)數(shù)字化電路包括用于采樣出現(xiàn)在第j個(gè)列導(dǎo)線上的模擬信號(hào)的采樣器以及用于提供所述模擬信號(hào)的數(shù)字值的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及 -數(shù)字值的求和裝置，所述求和裝置能夠?qū)乃鲛D(zhuǎn)換器獲得的且對(duì)應(yīng)于多個(gè)模擬信號(hào)的采樣的數(shù)字值加在一起，所述多個(gè)模擬信號(hào)全部對(duì)應(yīng)于對(duì)所觀察的圖像行中的第j個(gè)同一圖像點(diǎn)的觀察。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圖像傳感器，其特征在于所述讀取電路是電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路，借助于所述讀取電路能夠?qū)⒈硎居赏涣兄械腘個(gè)像素所累加的電荷的電位轉(zhuǎn)移至所述列導(dǎo)線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感器，其特征在于所述讀取電路包括電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(ND)、用于將第N行像素的電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)至所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移晶體管(Tl)、用于重新初始化所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電位的晶體管(T2)、用于產(chǎn)生表示所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的電荷量的電位的跟隨器晶體管(T3)、以及行選擇晶體管(T4)，其用于在M行之中選擇一行讀取電路并且將所述行的所述讀取電路的所述跟隨器晶體管連接至相應(yīng)列導(dǎo)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感器，其特征在于形成基本數(shù)字化電路的一部分的采樣器包括用于首先存儲(chǔ)在被施加至讀取電路的重新初始化晶體管的重新初始化脈沖之后的電壓基準(zhǔn)電平、并然后存儲(chǔ)在被施加至所述轉(zhuǎn)移晶體管的轉(zhuǎn)移脈沖之后的信號(hào)電平的 裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于所述求和裝置分布在所述數(shù)字化電路中。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中的任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于存在于每一數(shù)字化電路中的所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器是斜坡轉(zhuǎn)換器，所述斜坡轉(zhuǎn)換器包括比較器和計(jì)數(shù)器，當(dāng)將電壓斜坡施加至所述比較器的輸入端時(shí)，所述計(jì)數(shù)器以固定速率進(jìn)行計(jì)數(shù)直到所述比較器被觸發(fā)為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像傳感器，其特征在于第m行第j列的數(shù)字化電路的所述計(jì)數(shù)器的輸出端連接至第m+1行同一第j列的數(shù)字化電路的所述計(jì)數(shù)器的初始化輸入端，使得所述斜坡的末端處的第m+1個(gè)電路的所述計(jì)數(shù)器的內(nèi)容對(duì)應(yīng)于由一組的N個(gè)像素所接收的光量與對(duì)應(yīng)于已經(jīng)看見同一圖像點(diǎn)的另一組N個(gè)像素的第m個(gè)所述計(jì)數(shù)器的先前內(nèi)容的相加。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中的任一項(xiàng)所述的圖像傳感器，其特征在于讀取電路行并入感光的或者不感光的像素行中，這樣構(gòu)造以便以選擇性的方式允許在N行的組的最后一行像素與下一組的第一行像素之間的電荷轉(zhuǎn)移、或者從一組的最后一行像素至存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電荷轉(zhuǎn)儲(chǔ)，以便對(duì)所轉(zhuǎn)儲(chǔ)的電荷進(jìn)行讀取和數(shù)字化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器，其特征在于所述圖像傳感器在每一行讀取電路中包括用于檢測(cè)存在于第m組像素的第N行像素的第j個(gè)像素中的電荷量的裝置、以及用于在所述電荷量超出閾值時(shí)讀取第m行第j列的讀取電路中的這些電荷或者在所述電荷量低于所述閾值時(shí)將這些電荷轉(zhuǎn)移至第m+1組像素的第一行像素而不讀取這些電荷的裝置。
10.一種用于操作能夠求和的掃描圖像傳感器的方法，所述掃描圖像傳感器允許由多行感光像素的行相繼對(duì)同一圖像行的同步讀取以及對(duì)由不同行讀取且對(duì)應(yīng)于所述同一像素行的信號(hào)的逐像素求和，其特征在于將所述傳感器劃分成多個(gè)組，每組具有N行，每行具有P個(gè)電荷轉(zhuǎn)移像素，通過在列中從像素至像素地逐步累加對(duì)應(yīng)于同一圖像點(diǎn)的電荷的電荷轉(zhuǎn)移，在行的每一組中以模擬的方式執(zhí)行所述求和， 讀取電路讀取每一組的最后一行像素的電荷，其中所述讀取電路與所述最后一行關(guān)聯(lián)并且對(duì)每一像素執(zhí)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換， 由列導(dǎo)線向相應(yīng)的數(shù)字化電路發(fā)送所述轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的模擬信號(hào)，所述數(shù)字化電路針對(duì)每一列建立對(duì)應(yīng)于每一模擬信號(hào)的數(shù)字值，并且 在每一列中將對(duì)應(yīng)于行的各個(gè)組的多個(gè)數(shù)字值加在一起，所述行的各個(gè)組在所述掃描期間已經(jīng)看見所述同一圖像行。
全文摘要
本發(fā)明涉及能夠信號(hào)積分的掃描線性圖象傳感器，其中通過由多條感光行所拍攝的連續(xù)圖像的相加來(lái)重構(gòu)來(lái)自所觀察的場(chǎng)景的一行點(diǎn)的圖像，當(dāng)所述場(chǎng)景垂直于所述行移動(dòng)穿過所述傳感器時(shí)，所述多條感光行相繼觀察所述場(chǎng)景的同一行。根據(jù)本發(fā)明的傳感器使用電荷轉(zhuǎn)移像素(Pm，i，j)，所述電荷轉(zhuǎn)移像素分組為M個(gè)組，每組具有N行像素；在每一組中進(jìn)行模擬電荷求和；通過與每一組關(guān)聯(lián)的讀取電路(READm)讀取所述求和的結(jié)果，然后將所述結(jié)果數(shù)字化，并將所述結(jié)果與其它組的結(jié)果相加。
文檔編號(hào)H04N5/372GK102870406SQ201180022216
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者F·馬耶爾, V·伊邦, H·比涅, J·瓦揚(yáng) 申請(qǐng)人:E2V半導(dǎo)體公司