具有多階段數(shù)字求和的移動圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有電荷積分的移動圖像傳感器，其采用了CMOS技術(shù)中的有源像素。本傳感器包括N個像素行而且大致為方形的每個像素包括兩個(但也可能包括三個或四個)光電二極管(PPDai、PPDbi)和電荷存儲結(jié)點(NDCi、NDEi)，還具有將電荷從每個光電二極管轉(zhuǎn)移至一個或另一個存儲結(jié)點的裝置。從光電二極管至一個接著另一個存儲結(jié)點的轉(zhuǎn)移的控制這樣進行，使得一個存儲結(jié)點在周期性循環(huán)的兩個連續(xù)階段中連續(xù)接收在這兩個階段內(nèi)探測到相同圖像部分的兩個光電二極管的電荷。一個存儲結(jié)點在第一個階段內(nèi)接收的電荷與另一個存儲結(jié)點在接下來的階段內(nèi)接收的電荷相加。
【專利說明】具有多階段數(shù)字求和的移動圖像傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及線性時間延遲積分傳感器(TDI傳感器)，其中所觀察景象的點組成的圖像線通過圖像相加重構(gòu)，這些相加的圖像為多個感光行連續(xù)拍攝，隨著此景象在傳感器前垂直于行移動，這些行連續(xù)觀察此景象的給定的線。
【背景技術(shù)】
[0002]這類傳感器比如用在通過衛(wèi)星觀察地球的系統(tǒng)中。它們包括感光像素的多個平行的行；用于控制各個行的電路的序列(曝光時間的控制以及光生電荷的讀出)同步于景象和傳感器間的相對移動，使得傳感器全部的行見到所觀察景象的單一的線。產(chǎn)生的信號對于所觀察線的每個點逐點相加。
[0003]理論信噪比的改善正比于傳感器的行的個數(shù)N的平方根。根據(jù)應(yīng)用場合(工業(yè)質(zhì)量控制、地面觀測、全景牙科射線照相或乳房X光檢查)，這個數(shù)字的范圍可以從幾行到大
約一百行。
[0004]電荷轉(zhuǎn)移傳感器((XD傳感器)中,信號的逐點相加通過在每一像素行中注入前一像素行產(chǎn)生和累積的電荷來自然完成而不產(chǎn)生讀取噪聲，其與景象和傳感器間的相對移動同步。將所觀察景象線產(chǎn)生的電荷累積了 N次的最后的像素行可以被轉(zhuǎn)移至輸出寄存器并在讀取階段被轉(zhuǎn)換至電壓或電流。
[0005]這樣的電荷轉(zhuǎn)移傳感器或者用傳統(tǒng)技術(shù)制造，其中鄰近的轉(zhuǎn)移柵極從至少兩層多晶硅產(chǎn)生，第二層部分地覆蓋第一層；或者用采用單層多晶硅柵極的技術(shù)制造，這些單層技術(shù)更符合現(xiàn)在的CMOS邏輯集成電路制造技術(shù)。
[0006]然而，使用有源CMOS技術(shù)像素的電荷傳感器具有優(yōu)點，專利申請W02008/034794中描述了一個這樣的例子。電荷沒有逐行轉(zhuǎn)移，因為有源像素并不在電荷轉(zhuǎn)移模式下工作而是向列導線傳遞電壓。為了使對應(yīng)于各個像素行所見到的給定圖像線的信號相加，使用了模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換以傳遞每個像素的輸出的數(shù)字表示，移動中連續(xù)見到圖像點的N個像素給出的N個數(shù)字值被相加。然而，本申請所述的原理不允許真正的相關(guān)雙重采樣讀出。
[0007]另外，時間延遲積分傳感器所遇到的一個問題是調(diào)制傳遞函數(shù)的劣化，其原因在于，景象在傳感器前的相對移動是連續(xù)的而像素信息的處理是離散的。這樣，條紋間距等于像素間距的黑白條紋圖像在圖像移動時僅僅傳遞0.64的峰-峰幅度，而在圖像靜止時(忽略純幾何調(diào)制傳遞函數(shù))傳遞單位值的峰-峰信號幅度作為傳感器的輸出。值0.64是調(diào)制傳遞函數(shù)的移動分量(還存在關(guān)于其他因素的其他分量，其可以進一步劣化整體的調(diào)制傳遞函數(shù))。
[0008]當然，可以減小像素尺寸以通過增加理論分辨率來補償此不良的調(diào)制傳遞函數(shù)。通過將像素間距減半，分辨率翻倍。然而，這種情況下模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)量也要翻倍。
[0009]CMOS技術(shù)像素捕捉圖像的另一個限制是，其需要在相同的(如果可能的話時長可調(diào)的)時間窗口內(nèi)曝光全部的像素行(全局快門操作模式)，而不是在相同時長但是從一行到下一行時移的連續(xù)窗口內(nèi)(滾動快門操作模式)。[0010]最后，應(yīng)當注意，包括四個或五個晶體管的CMOS技術(shù)像素捕捉圖像受制于kTC讀取噪聲，此噪聲是需要通過進行相關(guān)雙重采樣讀出來嘗試減小的；這意味著，需要在轉(zhuǎn)移活躍電荷至電荷存儲結(jié)點前首先嘗試讀取此結(jié)點的重置電平。已知的CMOS技術(shù)傳感器中，全局快門操作模式不符合真正的相關(guān)雙重采樣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種采用有源CMOS像素的TDI傳感器結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)增加移動相關(guān)的調(diào)制傳遞函數(shù)的值，同時允許真正的相關(guān)雙重采樣讀出以及優(yōu)選具有可調(diào)積分時間的全局快門操作模式。為此目的，提供一種傳感器，傳感器的像素(大致為方形)包括至少兩個(可選擇地三個或甚至四個)光電二極管，這些光電二極管被連續(xù)地安排在傳感器前的圖像的移動方向上，在像素的光電二極管之間以及在給定像素列中的鄰近像素的光電二極管之間具有電荷存儲結(jié)點，并且在光電二極管與置于其側(cè)面的兩個結(jié)點之間具有與每個光電二極管相聯(lián)系的兩個轉(zhuǎn)移柵極。第i個像素的存儲結(jié)點連接至列導線，而且采樣和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的數(shù)量等于列中像素的數(shù)量。轉(zhuǎn)移柵極這樣被控制，使得其從一個光電二極管轉(zhuǎn)移電荷至位于此光電二極管下游的存儲結(jié)點或位于上游的結(jié)點。柵極的控制以多個階段(與像素中光電二極管一樣多的階段)組成的周期性循環(huán)進行。循環(huán)的周期是傳感器和景象相對彼此移動等于像素高度(即等于列中像素的間距)的距離所用的時間。每個階段中存在沒有從光電二極管接收電荷的存儲結(jié)點；其他結(jié)點從與之相鄰的光電二極管接收電荷；不接收電荷的結(jié)點在每個新階段循環(huán)變更。在周期內(nèi)各個階段以及在N個連續(xù)的周期，其他存儲結(jié)點接收的電荷具有時移地被數(shù)字化并相加到一起。相加與移動同步地進行，即相加的電荷由不同但在各個階段見到相同圖像部分的光電二極管給出。
[0012]在傳感器具有兩階段操作的情況下(最簡單的情況)，方形像素包括:兩個光電二極管，其可以被稱為下游光電二極管和上游光電二極管；中間電荷存儲結(jié)點，其位于兩個光電二極管之間；下游電荷存儲結(jié)點，其位于像素的下游光電二極管和緊鄰上述像素下游的像素的上游光電二極管之間；以及上游存儲結(jié)點，其位于上述像素的上游光電二極管和緊鄰上游的像素的下游光電二極管之間。因此下游結(jié)點如同上游結(jié)點那樣為兩個鄰近像素共享。
[0013]更準確地說，兩階段操作的情況下，根據(jù)本發(fā)明提供了時間延遲電荷求和圖像傳感器，其電荷求和與傳感器前圖像的相對移動同步，此傳感器包括N個按間距D分布的像素行；在移動方向上的列中的第i個的每個像素優(yōu)選具有大體上為方形的形狀并且包括在移動方向上連續(xù)放置的第一和第二光電二極管，以及三個電荷存儲結(jié)點，電荷轉(zhuǎn)移柵極將其從光電二極管分開；存儲節(jié)點包括位于兩個光電二極管之間的中間結(jié)點，和與鄰近像素共享的兩個其他結(jié)點，這兩個結(jié)點為，位于第i個像素的第一光電二極管與緊鄰第i個像素下游的第i+Ι個像素的第二光電二極管之間的下游結(jié)點，和位于第i個像素的第二光電二極管與緊鄰第i個像素上游的第i_l個像素的第一光電二極管的上游結(jié)點。傳感器還包括:
[0014]-與每個像素相聯(lián)系的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路；以及
[0015]-控制轉(zhuǎn)移柵極和轉(zhuǎn)換電路的裝置，其控制的轉(zhuǎn)移柵極和轉(zhuǎn)換電路用以在周期為Tp的周期性循環(huán)內(nèi)從光電二極管轉(zhuǎn)移電荷至置于其側(cè)面的一個或另一個存儲結(jié)點，然后轉(zhuǎn)換這些電荷，其中Tp是圖像移動等于像素行間距的距離所需的時間，其分為兩個階段，使得:
[0016]-第一階段結(jié)束時，兩個光電二極管的電荷被轉(zhuǎn)移至中間結(jié)點；和
[0017]-第二階段結(jié)束時，第i個像素的第一光電二極管的電荷和第i+ Ι個下游像素的第二光電二極管的電荷被轉(zhuǎn)移至下游結(jié)點，然后下游結(jié)點中的電荷在與第i個像素相聯(lián)系的第i個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器中被轉(zhuǎn)換；以及
[0018]-在第i個轉(zhuǎn)換器中將兩階段循環(huán)內(nèi)進行的一次或多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果與在前一循環(huán)結(jié)束時第1-Ι個轉(zhuǎn)換器先前累積的結(jié)果累積起來的裝置。
[0019]第一實施方式中提供了選擇裝置，用來彼此獨立地選擇中間結(jié)點或下游結(jié)點以讀取其中包含的電荷；尤其是，這些結(jié)點可以彼此獨立地被重置，而且重置之后或電荷在每個結(jié)點獨立地轉(zhuǎn)移之后電荷可以被讀取。這種情況下，第一階段結(jié)束時，電荷轉(zhuǎn)移至中間結(jié)點之后，此結(jié)點的電荷在與第i個像素相聯(lián)系的第i個轉(zhuǎn)換電路中被轉(zhuǎn)換。
[0020]另一實施方式中，中間結(jié)點和下游結(jié)點通過導線電連接以構(gòu)成電共有結(jié)點；彼此獨立地選擇結(jié)點的裝置未被提供；這種情況下，電共有結(jié)點中包含的電荷只在第二階段結(jié)束時而不在第一階段結(jié)束時于第i個轉(zhuǎn)換電路中被轉(zhuǎn)換；源于各個光電二極管的這兩個階段的電荷在數(shù)字化之前于共有結(jié)點模擬相加。提供了用于重置共有結(jié)點的裝置以在電荷轉(zhuǎn)移至中間結(jié)點之前的第一階段而不是在電荷轉(zhuǎn)移至下游結(jié)點之前的第二階段內(nèi)重置結(jié)點。
[0021]三階段操作的情況下，優(yōu)選大致為方形的像素包括，在移動方向上連續(xù)放置的三個光電二極管，光電二極管之間的兩個中間存儲結(jié)點，和與鄰近像素共享的兩個其他結(jié)點，其分別為，位于第i個像素的第一光電二極管與緊鄰下游的第i+ι個像素的最后一個光電二極管之間的下游存儲結(jié)點，和位于第i個像素的最后一個光電二極管與緊鄰上游的第1-Ι個像素的第一光電二極管之間的上游存儲結(jié)點；在像素內(nèi)部以及在兩個鄰近像素的光電二極管之間，光電二極管和存儲結(jié)點之間存在電荷轉(zhuǎn)移柵極。在三個連續(xù)的階段內(nèi)轉(zhuǎn)移柵極啟動，使得兩個而不是第三個存儲結(jié)點接收電荷。不接收電荷的結(jié)點從一個階段到下一個階段循環(huán)變更，使得轉(zhuǎn)移到存儲結(jié)點的電荷每次對應(yīng)像素見到的給定的圖像部分。這些存儲結(jié)點的電荷在三個階段內(nèi)被讀取并數(shù)字化(對于每個接收了電荷的存儲結(jié)點，每個階段內(nèi)進行了各自的轉(zhuǎn)換，即此處每階段兩個轉(zhuǎn)換)；在三個階段里進行了相加，使得相加結(jié)果每次源自兩個鄰近的光電二極管，這兩個光電二極管在三個階段中并不是相同的，但是在三個階段的循環(huán)內(nèi)見到了相同的圖像部分的光電二極管。此外進行N個像素轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字相加，這N個像素在傳感器于圖像前的移動中見到了相同的圖像部分。
[0022]可以設(shè)想四階段操作或涉及多于四個階段的操作；然而這提升了復雜度而且得到的調(diào)制傳遞函數(shù)的改善變?yōu)檫呺H的。
[0023]更一般地，對于P個階段:優(yōu)選大致為方形的每個像素包括，在傳感器于圖像前的移動方向上連續(xù)放置的P個光電二極管，其具有在像素的光電二極管之間的以及在給定像素列中鄰近像素的光電二極管之間的電荷存儲結(jié)點，并具有與每個光電二極管相聯(lián)系的、在光電二極管和與其鄰近的兩個存儲結(jié)點之間的兩個轉(zhuǎn)移柵極；可以選擇將存儲結(jié)點連接至列導線和個數(shù)與列中像素個數(shù)相等的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，而且每個轉(zhuǎn)換電路能夠同時進行對應(yīng)于P-1個存儲結(jié)點上的電荷的P-1個同時轉(zhuǎn)換(即與一個像素相聯(lián)系的轉(zhuǎn)換電路包括并行工作的P-1個采樣電路和P-1個轉(zhuǎn)換器)；這樣控制轉(zhuǎn)移柵極，使得電荷在周期為Tp的周期性循環(huán)中從一個光電二極管或者轉(zhuǎn)移至位于光電二極管下游的存儲結(jié)點或者轉(zhuǎn)移至位于上游的結(jié)點，Tp對應(yīng)于圖像移動距離D所需的時間；循環(huán)包括時長相等的P個階段；柵極的控制使得每個階段中存在不從光電二極管接收電荷的存儲結(jié)點，不接收電荷的結(jié)點在每個新階段循環(huán)變更；其他存儲結(jié)點接收的電荷在周期的各個階段內(nèi)被數(shù)字化并相加到一起，使得相加結(jié)果每次源自兩個鄰近的光電二極管，這兩個光電二極管在P個階段中并不是相同的，但是在P個階段的循環(huán)內(nèi)見到了相同的圖像部分的光電二極管。此外進行N個像素轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字相加，這N個像素在傳感器于圖像前的移動中見到了相同的圖像部分。
[0024]為了促進各個階段內(nèi)的數(shù)字相加以及見到相同圖像部分的N個像素之間的相加，每個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的運行具有計數(shù)器(更一般地，如果有P個階段則有P-1個計數(shù)器)，計數(shù)器的內(nèi)容的增加正比于待轉(zhuǎn)換信號的模擬值；在周期性的兩階段(或者三個或三個以上階段)循環(huán)開始時，而不是在同一循環(huán)的兩個(或者三個或三個以上)階段之間，對應(yīng)于第i個像素的計數(shù)器的內(nèi)容被設(shè)定為之前的第1-Ι個的轉(zhuǎn)換電路的相應(yīng)計數(shù)器累積結(jié)果的值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]在閱讀下面參考附圖給出的詳細描述之后，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點會變得明顯，其中涉及的附圖如下:
[0026]-圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一般結(jié)構(gòu)；
[0027]-圖2示意性圖示了包括5個晶體管的有源CMOS像素；
[0028]-圖3示意性圖示了根據(jù)本發(fā)明的兩階段操作模式放置的像素列；
[0029]-圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的采用了兩個階段周期性循環(huán)的操作模式的傳感器的一連串圖像捕捉；
[0030]-圖5圖示了列中像素的電路圖，每個像素與各自的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路相聯(lián)系；
[0031]-圖6圖示了圖3至5中的傳感器的操作時序圖；
[0032]-圖7圖示了變化的實施方式中的電路圖，此實施方式中像素的兩個存儲結(jié)點電連接；
[0033]-圖8圖示了圖7中的傳感器的操作時序圖；
[0034]-圖9圖示了三階段操作模式中的像素結(jié)構(gòu)；
[0035]-圖10圖示了三階段循環(huán)中的圖像捕捉的示意圖；
[0036]-圖11圖示了圖9中的結(jié)構(gòu)的操作時序圖。
【具體實施方式】
[0037]圖1顯示了通用時間延遲電荷求和圖像傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器包括N個像素行；待觀察圖像在所示為箭頭DPL的方向上相對于傳感器移動，此方向垂直于行，S卩，平行于像素列。移動速度同步于積分序列和由光產(chǎn)生的電荷的讀出，使得如果一列中像素的間距是D而移動速度是V，電荷積分和讀出以Tp = D/V的時間周期循環(huán)地進行。一個周期內(nèi)從一像素行讀取的電荷被加到前一周期內(nèi)從前一(相對于箭頭DPL的方向)像素行讀取的電荷。電荷在N個周期內(nèi)相加，其對應(yīng)于給定圖像部分的連續(xù)N個像素行的觀察。
[0038]這些像素是CMOS技術(shù)產(chǎn)生的有源像素。它們在像素內(nèi)進行電荷/電壓轉(zhuǎn)換:每個像素收集由照射它的光產(chǎn)生的電荷，并且向輸出導線發(fā)送對應(yīng)于周期內(nèi)所收集的電荷的電勢。輸出導線是給定列的全部像素所共有的列導線。像素逐行尋址，使得行中的像素向其列導線傳遞電勢，之后列導線接收對應(yīng)于之后的行的像素的電勢。行解碼器DECl執(zhí)行連續(xù)的行尋址。
[0039]列導線上呈現(xiàn)的電勢被采樣，優(yōu)選被雙重采樣，然后被數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，此轉(zhuǎn)換器被置于N個像素行的矩陣之外。在圖1的結(jié)構(gòu)中，提供了轉(zhuǎn)換電路(采樣和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換)矩陣、與矩陣每個像素相聯(lián)系的各自轉(zhuǎn)換電路以及第二個行解碼器DEC2，用于在相聯(lián)系的像素行被轉(zhuǎn)換器DECl選中時選中轉(zhuǎn)換電路的行。
[0040]這樣，圖像在周期Tp內(nèi)于某一像素行前移動時，此像素行被選中以讀出此像素行產(chǎn)生的信號(電勢)，此時，一行采樣器和轉(zhuǎn)換器同時被選中。每個像素產(chǎn)生了數(shù)字結(jié)果。此結(jié)果被加到前一周期內(nèi)前一像素行得到的結(jié)果，其中該像素行見到的是與所述前一周期相同的圖像部分。此相加是數(shù)字的。
[0041]通用序列電路SEQ產(chǎn)生解碼器DECl和DEC2以及控制電路ADCCTRL所需的控制信號。電路SEQ由時鐘信號CLK控制，時鐘信號CLK作為整體為讀出計時。
[0042]電路ADCCTRL是控制轉(zhuǎn)換器的電路，其在明確的時刻傳遞計數(shù)斜坡和時鐘信號以及轉(zhuǎn)換控制脈沖。
[0043]最后，解碼器DEC2也為轉(zhuǎn)換電路的每行產(chǎn)生采樣控制脈沖。
[0044]圖2圖示了在一列中第i個的單獨像素Pi的例子，其中單獨像素在半導體襯底上形成。一般情況下，希望逐行和逐列分辨率相同，像素優(yōu)選地大體上為方形(圖示為虛線)并且按照逐行和逐列的間距都為D的方式分布。像素Pi是傳統(tǒng)的有源像素；它包括:
[0045]-光電二極管PPD，通常被稱為固定光電二極管，S卩，其具有的表面電勢由覆蓋它的薄摻雜表面層固定；
[0046]-電荷存儲結(jié)點ND，其是襯底中的n+型擴散；
[0047]-轉(zhuǎn)移柵極(虛線所示)，其位于光電二極管和存儲結(jié)點之間，可以被轉(zhuǎn)移信號TRA控制，此信號將光電二極管中產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到存儲結(jié)點；
[0048]-讀取晶體管，其具有連接至供電電壓Vdd的漏極、連接至存儲結(jié)點ND的柵極(虛線所示)以及源極；此晶體管向其源極傳遞表示存儲結(jié)點電勢的電勢；
[0049]-行選擇晶體管，其具有由信號SEL控制的柵極，此信號由給定行的全部像素所共有的列導線傳遞而且源自解碼器DECl ;選擇晶體管的漏極連接至讀取晶體管的源極(或由與源極相同的擴散生成)；選擇晶體管的源極連接至列導線CC，此導線構(gòu)成了給定列的全部像素的輸出；當像素被信號SEL選中時，存儲結(jié)點的電勢被傳遞到列導線；
[0050]-用于重置存儲結(jié)點電勢的柵極，其由重置信號RST控制，并位于存儲結(jié)點和漏極之間，此漏極被抬升至參考電勢Vref ；
[0051]-最后，可選地，用于整體重置光電二極管電勢的柵極，其位于光電二極管和漏極之間，此漏極被抬升至參考電勢，此參考電勢可能為Vref ;由信號GR控制的此柵極使得防止光電二極管累積電荷成為可能，這是為了對于矩陣的全部像素限定所需的電荷積分時間。
[0052]像素Pi向列導線CC傳遞:
[0053]-首先，在結(jié)點ND被信號RST重置之后傳遞重置電勢；以及[0054]-然后， 在信號TRA使電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移到結(jié)點ND之后傳遞有用的信號電勢。
[0055]如果要在采樣時得到允許最小化kTC型讀取噪音的真正的相關(guān)雙重采樣測量數(shù)據(jù)，那么上述操作的順序很重要。
[0056]當?shù)趇個由解碼器DECl選中時，這兩個電勢被傳遞到同時被解碼器DEC2選中的第i個采樣電路。
[0057]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一列像素。此列構(gòu)成了圖1中一般結(jié)構(gòu)的一部分，但是像素的結(jié)構(gòu)與圖2中的不同，這會通過與圖2中的像素對比加以解釋。
[0058]像素仍然具有虛線所示的大體上為方形的形狀，而且像素的分布間距為D，優(yōu)選地在逐行和逐列兩個方向上都為D。像素電荷的積分并讀出的周期時長是Tp = D/V。相反，像素現(xiàn)在包括兩個光電二極管和三個存儲結(jié)點:下游存儲結(jié)點、上游存儲結(jié)點和中間存儲結(jié)點。然而，下游存儲結(jié)點與下游緊鄰的像素共享，上游存儲結(jié)點與上游緊鄰的像素共享，這樣，如果列中有N個像素，列中一共有2N個存儲結(jié)點而不是3N個。上游側(cè)和下游側(cè)參考為箭頭DPL所不的圖像移動方向定義。
[0059]圖3中，第i個的像素Pi包括:光電二極管PPDai和光電二極管PPDbi ;位于光電二極管之間、但通過各自的轉(zhuǎn)移柵極與它們都分離的中間存儲結(jié)點NDCi ;下游存儲結(jié)點NDEi,其是緊鄰像素Pi下游的像素Pi+1的上游存儲結(jié)點；以及上游存儲結(jié)點NDEg，其是上游像素P1-!的下游結(jié)點。各自的轉(zhuǎn)移柵極允許控制電荷從光電二極管PI3Dai到中間結(jié)點NDCi或下游結(jié)點NDEi的轉(zhuǎn)移。同樣的，各自的柵極允許電荷從光電二極管PI3Dbi到中間結(jié)點NDCi或上游結(jié)點NDEp1的轉(zhuǎn)移。對應(yīng)于中間結(jié)點的柵極由對應(yīng)于像素內(nèi)的內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移信號TRA同時控制；對應(yīng)于外部(上游和下游)結(jié)點的柵極由轉(zhuǎn)移信號TRA’控制，此信號控制源自兩個不同像素的電荷到一個相同的存儲結(jié)點的轉(zhuǎn)移，此結(jié)點對于一個像素是下游結(jié)點而對于另一個像素是上游結(jié)點。
[0060]此處顯示的光電二極管具有矩形表面，這是為了允許兩個光電二極管、中間存儲結(jié)點、一半上游和下游存儲結(jié)點、轉(zhuǎn)移柵極和與每個結(jié)點相聯(lián)系的其他操作元素符合邊長為D的方形。這些其他元素(讀取晶體管、選擇晶體管、重置柵極和漏極)具有與圖2中的像素相同的布局和功能，如同下述:
[0061]-由重置信號控制的、用以重置每個存儲結(jié)點的柵極；
[0062]-讀取晶體管，其柵極連接至存儲結(jié)點，其源極連接至列導線CC；
[0063]-由選擇信號控制的行選擇晶體管(注意，存儲結(jié)點被分別選中，即，不同的選擇信號允許任一存儲結(jié)點的電勢被讀取)；以及
[0064]-由信號GR控制的、用于整體重置光電二極管電勢的可選柵極。
[0065]本發(fā)明的原理如下:如圖1所示，第i個各自的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路CONVi與第i個的每個像素相聯(lián)系；此處，用來采樣待轉(zhuǎn)換電勢的電路以及將采樣電勢(實際上是兩個采樣電勢之間的差)轉(zhuǎn)換至數(shù)字值的實際模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器在一起被簡稱為“轉(zhuǎn)換電路”。另外，如同將會看到的，與像素相聯(lián)系的轉(zhuǎn)換電路優(yōu)選地直接執(zhí)行數(shù)字加法功能，用來將一個周期性循環(huán)中像素給出的結(jié)果加到前一循環(huán)中另一像素給出的結(jié)果。見到相同圖像部分的N個不同像素給出的N個值的加法功能在這種情況下分布在各個轉(zhuǎn)換電路；因此，名稱“轉(zhuǎn)換電路”被理解為也包括這種分布的加法功能。
[0066]根據(jù)本發(fā)明，提供了用來控制轉(zhuǎn)移柵極以及采樣和轉(zhuǎn)換電路的裝置以建立下述周期性循環(huán)，其具有時長相等的兩個階段；周期Tp對應(yīng)于圖像經(jīng)過像素行的間距D的移動。如下所見，兩個階段是部分重疊的。
_7] 1.第一階段
[0068]此階段中兩個光電二極管積分的電荷被轉(zhuǎn)移到中間結(jié)點NDCi,然后中間結(jié)點上的電荷在與第i個像素相聯(lián)系的第i個轉(zhuǎn)換電路CONVi被轉(zhuǎn)換，同時其他中間結(jié)點上的電荷在與其他像素相聯(lián)系的轉(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換。
[0069]2.第二階段
[0070]a)此階段內(nèi)第i個像素的第一光電二極管PPDai積分的電荷，以及此階段內(nèi)第i+1個像素(緊鄰下游像素)的第二光電二極管PPDbi+1積分的電荷被轉(zhuǎn)移到下游存儲結(jié)點NDEi ;同樣地，第i個像素的第二光電二極管PPDbi的電荷以及第1-1個像素(上游像素)的第一光電二極管PPDag的電荷被轉(zhuǎn)移到上游結(jié)點NDEp1 ；
[0071]b)接下來，下游結(jié)點NDEi上的電荷在第i個轉(zhuǎn)換電路CONVi被轉(zhuǎn)換；同樣地，上游結(jié)點NDEp1上的電荷以及像素Pp1的下游結(jié)點上的電荷同時由第i-1個轉(zhuǎn)換電路CONVg轉(zhuǎn)換。
[0072]第i個轉(zhuǎn)換電路在這兩個階段進行的轉(zhuǎn)換的結(jié)果在此電路中累積并且被加到第i-1個轉(zhuǎn)換電路在前一循環(huán)結(jié)束時累積的結(jié)果。
[0073]優(yōu)選地，涉及見到相同圖像部分的各個像素的數(shù)字相加以以下方式進行:轉(zhuǎn)換電路CONVi優(yōu)選包括斜坡轉(zhuǎn)換器，其包括在一定長度的時間內(nèi)以給定的頻率計數(shù)的計數(shù)器，此時間由待轉(zhuǎn)換的電勢差限定；計數(shù)器的最終內(nèi)容和初始內(nèi)容之間的差表示類似于此電勢差的值。然后各個轉(zhuǎn)換電路的計數(shù)器連接起來，使得在觸發(fā)新轉(zhuǎn)換之前第i-1個電路的計數(shù)器的內(nèi)容被用作第i個電路的計數(shù)器的初始內(nèi)容。
[0074]兩個階段轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字累積這樣達成，第一階段結(jié)束后計數(shù)器的內(nèi)容不重置，即第一階段結(jié)束時計數(shù)器的內(nèi)容保存作第二階段開始時計數(shù)器的初始內(nèi)容。第二階段結(jié)束時計數(shù)器的內(nèi)容表示兩個階段轉(zhuǎn)換結(jié)果的和。
[0075]圖4圖示了上述過程。圖中顯示了這樣的方法:像素的光電二極管的電荷交替地先被引至中間結(jié)點再被引至上游、下游結(jié)點，使得盡管圖像在兩個階段之間移動了 D/2，在第二階段里源自見到與第一階段相同的圖像部分的光電二極管的電荷也被相加。
[0076]圖示了四個步驟，其分別對應(yīng)兩個連續(xù)循環(huán)的每個階段PHla、PHlb、PH2a、PH2b的結(jié)束；在這兩個連續(xù)循環(huán)中，圖像在寬度為D的圖像線前移動了間距D的兩倍。鄰近的寬度為D的方形表示像素；兩方形之間的界限表示上游和下游存儲結(jié)點；方形中間的水平虛線表示中間存儲結(jié)點。寬度為D(寬度沿移動方向測量)的斑點區(qū)域表示在固定位置的圖像線；在此條前，傳感器像素相對于圖像從下游到上游相對移動(圖中從上部到下部)。為使圖清晰，斑點圖像線顯示在傳感器旁邊。
[0077]曲線箭頭表示電荷首先到中間結(jié)點(每個循環(huán)的第一階段PHla、PH2a)、然后到下游和上游結(jié)點的電荷轉(zhuǎn)移，即兩個像素之間的結(jié)點(循環(huán)的第二階段PHlb、PH2b)。
[0078]在像素右邊顯示的、對著每個存儲結(jié)點位置的轉(zhuǎn)換電路號碼標識哪個電路接收對應(yīng)于每個結(jié)點的電勢以將其采樣并轉(zhuǎn)換。可以見到:
[0079]-第i-1個轉(zhuǎn)換器首先(PHla)從中間結(jié)點轉(zhuǎn)換像素Pi-1的兩個光電二極管所積分的電荷，然后(PHlb)從下游結(jié)點轉(zhuǎn)換像素Pi-1的下游光電二極管以及像素Pi的上游光電二極管給出的電荷；從而，第二階段中使用的兩個光電二極管見到了與第一階段相同的圖像線。
[0080]-下面的循環(huán)PH2a、PH2b完成了同樣的操作，但是如果考慮相同的圖像線，操作開始于像素Pi和轉(zhuǎn)換器CONVi ;這就是為什么第二循環(huán)必須將轉(zhuǎn)換電路CONVi (與像素Pi相聯(lián)系)執(zhí)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果加到轉(zhuǎn)換電路CONVg在前一循環(huán)執(zhí)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0081]圖5圖示了像素列(連續(xù)的三個像素Ph、Pi和Pi+1)以及與這些像素相聯(lián)系的轉(zhuǎn)換電路(COmviXONVi和C0NVi+1)。列導線CC連接起全部像素的輸出并且將存儲結(jié)點的電勢發(fā)送至轉(zhuǎn)換電路。像素以電子電路的形式表示并且對應(yīng)于參考圖2和圖3給出的物理描述。
[0082]下述配置假設(shè)，讀出是相關(guān)雙重采樣讀出，其中下面的操作順序進行:重置存儲結(jié)點，采樣重置電平，然后從光電二極管轉(zhuǎn)移電荷至存儲結(jié)點以及最后采樣表示電荷的有用電勢電平。
[0083]另外，圖5的實施方式中，第i個轉(zhuǎn)換電路包括:
[0084]-兩個采樣電容，一個在第一采樣信號SHRi的控制下存儲重置電勢電平，另一個在第二采樣信號SHSi的控制下存儲有用電勢電平；信號SHRi和SHSi的發(fā)射同步于通過信號SELi或SEL，i的存儲結(jié)點(NDCi或NDEi)與列導線的連接；
[0085]-線性電壓斜坡產(chǎn)生器，其可以為全部轉(zhuǎn)換電路共有并傳遞電壓斜坡RMP;此斜坡施加到第二電容的一端；
[0086]-比較器CMP，其輸入連接至兩個電容，其在轉(zhuǎn)換開始時首先具有第一狀態(tài)，并且當其第二輸入上的電勢在施加到第二電容的斜坡的影響下達到其第一輸入上的電勢時，轉(zhuǎn)變到第二狀態(tài)。
[0087]-計數(shù)器CPT，其從斜坡的起始對設(shè)定頻率的脈沖計數(shù)，并且當比較器轉(zhuǎn)變時在比較器的控制下停止計數(shù)；為簡潔起見，顯示了時鐘信號CLK，但是必須認識到，只有從電壓斜坡RMP的起始才允許計數(shù)。
[0088]計數(shù)器的內(nèi)容在電壓斜坡期間增加，增加的值表示重置電勢和有用電勢之間的差。然而，如下所見，計數(shù)器的初始內(nèi)容可以從位于上游的計數(shù)器的(在前一循環(huán))最終內(nèi)容設(shè)定，使得在第i個轉(zhuǎn)換電路CONVi中直接把當前結(jié)果加到前一循環(huán)結(jié)束時前一行電路CONVh的計數(shù)器得到的內(nèi)容。這樣，第N次循環(huán)結(jié)束時計數(shù)器的內(nèi)容表示在N次連續(xù)的讀出循環(huán)中見到相同圖像部分的N個像素所收集的電荷的轉(zhuǎn)換結(jié)果的總和。信號SHIFT允許轉(zhuǎn)換器CONVh的結(jié)果轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)換器CONVi的計數(shù)器。
[0089]像素Pi的中間存儲結(jié)點可以通過行選擇導線SELi連接至列導線。下游存儲結(jié)點NDEi可以被行選擇導線SEL’ i另外選中。全部中間存儲結(jié)點NDCi可以由信號RST同時重置，同樣的，全部上游和下游存儲結(jié)點可以由信號RST’同時重置。全部像素共有的信號TRA可以使電荷從像素的兩個光電二極管轉(zhuǎn)移至中間結(jié)點NDCi ;同樣的，全部像素共有的信號TRA’可以使電荷從兩個光電二極管轉(zhuǎn)移至下游和上游結(jié)點。
[0090]全部像素共有的信號GR允許全部光電二極管的電勢在選定的積分時間之后被重置。
[0091]轉(zhuǎn)移信號TRA和TRA’為全部像素共有的情況使得以全局快門操作模式工作成為可能，其有益性在于，全部像素在同樣的積分時間而不是在取決于像素行號i的錯開的時間周期被同時照射。全局重置信號GR為全部像素共有的情況還允許調(diào)整此共有積分時間。
[0092]參考顯示了周期為Tp的兩個測量循環(huán)的兩個階段PHla、PHlb以及PH2a、PH2b的時序圖圖6，圖5的電路如按照下述方式作用。
[0093]顯示了下述信號:
[0094]-TRA，其以周期Tp從光電二極管控制電荷從光電二極管轉(zhuǎn)移至中間結(jié)點，TRA’，其也以周期Tp控制到下游和上游結(jié)點的轉(zhuǎn)移，信號TRA’相對于信號TRA移動了 Tp/2 ；
[0095]-RST和RST’，周期為Tp且相對于彼此移動了 Tp/2的歸零信號；
[0096]-GR,可選的,周期為Tp/2,信號GR的末端在時間上具有相對于信號TRA末端和相對于信號TRA’末端相同的位置；
[0097]-SEL1至SELn，選擇第I至第N行的信號，在這些信號期間中間存儲結(jié)點連接至列導線CC，不論這是在測量重置電勢或是測量照明電勢；[0098]-SEL’!至SEL’N，選擇第I至第N行的連續(xù)信號，在這些信號期間下游存儲結(jié)點連接至列導線，同樣不論這是在測量重置電勢或是測量有用電勢；
[0099]-SHR1至SHRn，各自轉(zhuǎn)換電路CONV1至CONVn的第一電容上的重置電勢電平的采樣信號；這些信號依據(jù)行選擇信號產(chǎn)生:信號SELi選中第i個的中間結(jié)點時電路CONVi的信號SHRi被發(fā)射，信號SEL’ i選中此行下游結(jié)點時其被再一次發(fā)射；從而在每個轉(zhuǎn)換電路中重置電平(在相同的電容上)的采樣在每個循環(huán)內(nèi)發(fā)生兩次；
[0100]-SHS1至SHSn，各自轉(zhuǎn)換電路CONV1至CONVn的第二電容上的照明電勢電平的采樣信號；這些信號也依據(jù)行選擇信號產(chǎn)生:信號SELi選中第i個的中間結(jié)點時電路CONVi的信號SHSi被發(fā)射，信號SEL’ i選中此行下游結(jié)點時其被再一次發(fā)射；從而在每個轉(zhuǎn)換電路中有用電勢電平(在相同的電容上)的采樣在每個循環(huán)內(nèi)發(fā)生兩次；
[0101]-CONV:轉(zhuǎn)換控制信號，在最后一行的米樣信號SHSn之后同時傳遞至全部轉(zhuǎn)換電路；轉(zhuǎn)換控制信號觸發(fā)電壓斜坡和計數(shù)器的計數(shù)；轉(zhuǎn)換在每個循環(huán)發(fā)生兩次，第一次在采樣全部中間結(jié)點的有用電勢之后，第二次在采樣下游結(jié)點的有用電勢之后；以及
[0102]-全部轉(zhuǎn)換器共有的信號SHIFT，其允許第1-Ι個轉(zhuǎn)換器的內(nèi)容轉(zhuǎn)移至第i個轉(zhuǎn)換器的計數(shù)器，使得此計數(shù)器被初始化至一個值，此值表示與第i個轉(zhuǎn)換器見到相同圖像部分的第I至第i_l個的轉(zhuǎn)換結(jié)果的當前和；轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的結(jié)果會加到此初始內(nèi)容。
[0103]每個階段內(nèi)電荷積分的時間或者是Tp/2或者是Tint/2，其小于Tp/2且當使用信號GR時可由信號GR的位置調(diào)整。信號GR的末端限定全部像素的積分時間起始。脈沖TRA和TRA’的末端分別限定第一和第二階段的積分時間的末端，因為這些信號將光電二極管中的內(nèi)容注入存儲結(jié)點。當信號GR沒有被使用時，脈沖TRA或TRA’的末端也限定新的積分時間的起始點。
[0104]周期性兩階段循環(huán)按下述方式進行:
[0105]第一階段PHla
[0106]-a)在Tint/2的時間內(nèi)電荷在光電二極管中積分；此時間內(nèi)，轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換前一階段采樣的信號；
[0107]-b)接近前一循環(huán)的信號已被轉(zhuǎn)換的積分時間Tint/2的末端，信號SHIFT在全部轉(zhuǎn)換電路將第i_l個計數(shù)器累積的結(jié)果轉(zhuǎn)移至第i個計數(shù)器，以根據(jù)這些結(jié)果在新轉(zhuǎn)換前初始化計數(shù)器；[0108]-c)接近積分時間的末端，在信號SHIFT之前或之中或之后，發(fā)射全局信號RST以重置全部中間存儲結(jié)點的電勢；
[0109]-d)信號RST之后，信號SEL1至SELn連續(xù)選擇第I至N行的中間存儲結(jié)點；列導線每次接收各自的重置電勢，采樣信號SHR1至SHRn每次采樣這些在相應(yīng)轉(zhuǎn)換器第一電容上的電勢；信號SEL’ j仍未激活；
[0110]-e)發(fā)射信號TRA,其將全部光電二極管的電荷轉(zhuǎn)移至中間結(jié)點；控制信號TRA’仍未激活；
[0111]-f)信號TRA之后，信號SEL1至SELn再次連續(xù)選中第I至N行的中間存儲結(jié)點；列導線每次接收表示存儲于中間存儲結(jié)點的電荷的有用電勢；采樣信號SHR1至SHRn每次在相應(yīng)轉(zhuǎn)換器的第二電容上采樣這些有用電勢；信號SEL’ i仍未激活；從而有用電勢在電荷被轉(zhuǎn)移到結(jié)點后被采樣，此結(jié)點的重置電勢先前已被采樣，這樣就允許了真正的相關(guān)雙重采樣；以及
[0112]-g)采樣全部重置電勢和有用電勢之后，轉(zhuǎn)換控制信號CONV被同時施加到全部轉(zhuǎn)換器；此控制信號觸發(fā)電壓斜坡和計數(shù)器的計數(shù)；計數(shù)器增加的量取決于轉(zhuǎn)換器采樣的電勢差。
[0113] 上下文都考慮了步驟f和g，其構(gòu)成階段PHla的部分，因為它們涉及階段PHla內(nèi)積分的電荷，然而這些步驟會持續(xù)到第二階段PHlb開始后，即光電二極管中的電荷重新開始積分之后，其中此重新積分在轉(zhuǎn)移信號TRA的末端之后開始。所以，這兩個階段是完全一致的，但是在某種程度上重疊。
[0114]第二階段PHlb
[0115]第二階段以同樣的方式進行但是涉及的是下游結(jié)點而不是中間結(jié)點。所以，第二階段中，信號TRA變?yōu)椴患せ畈⒈恍盘朤RA’替代；信號SEL1至SELn變?yōu)椴患せ畈⒈恍盘朣EL，!至 SEL’ N 替代。
[0116]另外，不同于第一階段，信號SHIFT未被發(fā)射，即計數(shù)器未被重置。它們保持在第一階段積分的電荷轉(zhuǎn)換結(jié)束時取得的結(jié)果；第二階段PHlb中產(chǎn)生的電荷的轉(zhuǎn)換從而從第一階段所得的結(jié)果增加計數(shù)器。只有在此第二轉(zhuǎn)換結(jié)束后信號SHIFT才會被再次發(fā)射。
[0117]N行轉(zhuǎn)換電路CONVn累積在N次連續(xù)循環(huán)中N個轉(zhuǎn)換電路見到的并且對應(yīng)于相同圖像部分的照明結(jié)果。它們傳遞總體的測量結(jié)果。此結(jié)果是周期為Tp的輸出。
[0118]根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪音小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪音，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，兩個光電二極管中都總是轉(zhuǎn)移其電荷至其自己的存儲結(jié)點。具體地說，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)移無噪音的相加電荷，而產(chǎn)生噪音的數(shù)字求和只在此模擬電荷求和之后進行。
[0119]上文中，下游存儲結(jié)點和中間存儲結(jié)點都被認為聯(lián)系到重置晶體管、讀取晶體管和行選擇晶體管。這就是為什么下游結(jié)點需要不同于中間結(jié)點行選擇信號SELi的行選擇信號SEL’it)然而，可以設(shè)想一種稍有不同的方案:盡管仍然提供如上所述的置于每個光電二極管側(cè)面的不同的存儲結(jié)點以及分開的信號TRA和TRA’，可以設(shè)想這兩個結(jié)點通過電導線而電連接(此導線接觸在實踐中為集成電路里η型擴散的兩結(jié)點)。這種變化的實施方式圖示于圖7中，圖中所示中間結(jié)點NDCi和下游結(jié)點NDEi通過導線相連。
[0120]兩個物理上不同的結(jié)點，一個接收電荷而另一個不接收電荷，它們被同時重置再同時讀取，在這種意義上，它們變成了從電學上講的共有結(jié)點。[0121]在階段PHla中，單一信號RST所控制的單一重置晶體管將兩個結(jié)點同時重置；它們共有的重置電平被米樣(信號SELi和同時信號SHRi);接下來,信號TRA將兩個光電二極管的電荷轉(zhuǎn)移至結(jié)點(此時中間結(jié)點從置于此結(jié)點側(cè)面的兩個光電二極管接收電荷)；在階段PHlb中，電荷繼續(xù)在光電二極管中積分，然后由信號TRA’再一次轉(zhuǎn)移至共有結(jié)點而中間不經(jīng)歷重置(此時下游結(jié)點從置于其側(cè)面的兩個光電二極管接收電荷)。這兩個階段接收的電荷在共有存儲結(jié)點模擬(無噪音)相加并且僅在此相加后才被數(shù)字化。從而，每個周期Tp內(nèi)只進行一次單一的轉(zhuǎn)換，這樣就減小了噪音并緩和了轉(zhuǎn)換器速度上的限制。
[0122]共有結(jié)點上所得的電勢由讀取晶體管以及兩個連接結(jié)點共有的選擇晶體管(SELi)施加到列導線；與SELi同時的脈沖SHSi采樣此電勢。不存在選擇導線SEL’ i0
[0123]此實施方式中，圖8為其時序圖；相對圖6的差異如下所述:
[0124]-只存在一個周期為Tp/2的重置信號RST，其位于信號TRA之前而不是信號TRA’之前；
[0125]-跟隨信號的信號SHR和SHS的周期為Tp而不是Tp/2，信號SHR跟隨脈沖RST和之前信號TRA，信號SHS跟隨脈沖TRA’ ；
[0126]-信號SEL1至SELn分別與信號SHR1至SHRn以及信號SHS1至SHSn同步；不存在信號SEL’ ；以及
[0127]-轉(zhuǎn)換脈沖的周期為Tp而不是Tp/2并跟隨最后的信號SHSn。
[0128]同樣，具有可調(diào)積分時間的全局快門操作模式以及真正的相關(guān)雙重采樣讀出是可能的。
[0129]圖3至8的描述涉及在兩個階段周期性操作的傳感器；但是設(shè)想更多的階段也是可能的。大致上是方形的像素被分成更多的光電二極管，像素的光電二極管之間有多個中間存儲結(jié)點，還有與下游像素共享的下游存儲結(jié)點以及與上游像素共享的上游存儲結(jié)點。
[0130]轉(zhuǎn)換電路需要能夠在給定的階段里采樣多個存儲結(jié)點重置電勢值和多個有用電勢值；電路在每個轉(zhuǎn)換步驟進行多個轉(zhuǎn)換(每個階段中有一個轉(zhuǎn)換步驟)。更精確的說，如果存在P個階段，一個階段中需要采樣P-1個重置電平和P-1個有用電平并且分別轉(zhuǎn)換P-1個電勢差；P-1個轉(zhuǎn)換的結(jié)果被數(shù)字相加。
[0131]例如，如果有三個階段，每個像素有三個光電二極管，一個共享的下游存儲結(jié)點，一個共享的上游存儲結(jié)點，和兩個中間存儲結(jié)點，其可以被稱為下游中間結(jié)點和上游中間結(jié)點。
[0132]存儲結(jié)點的使用是循環(huán)變更的，這允許了電荷從光電二極管沿著要將在這些階段內(nèi)見到相同的圖像部分的光電二極管的電荷轉(zhuǎn)移至在每個階段變化的結(jié)點組的方向轉(zhuǎn)移。有P-1個結(jié)點被使用，第P個結(jié)點未被使用而且此結(jié)點循環(huán)變更。
[0133]使用兩個而不是一個階段時，調(diào)制傳遞函數(shù)從0.64增加到0.90，使用三個階段時其進一步改善并達到0.95。
[0134]也可以使用四階段結(jié)構(gòu)，其將進一步改善調(diào)制傳遞函數(shù)，但是隨著階段個數(shù)增加所得的改善變得越來越不明顯。四個階段時此函數(shù)的理論值是0.97，所以所得的改善只有大約2%。
[0135]圖9圖示了三個階段的結(jié)構(gòu)，大致上為方形的每個像素有三個光電二極管PPDai'ProbjP PPDcitl圖10按照與圖4相同的原理圖示了三個階段PHla、PHlb和PHlc內(nèi)的圖像捕捉的示意圖，顯示出未使用結(jié)點的從上游到下游的循環(huán)變更。
[0136]圖11圖示了三階段操作的時序圖，包括轉(zhuǎn)移信號TRA、TRA’和TRA”，其與像素三個存儲結(jié)點中的每一個相聯(lián)系并且為全部像素共有，重置信號RST、RST’和RST”，其與像素結(jié)點中的每一個相聯(lián)系并且為全部像素共有，以及行選擇信號SEL、SEL’和SEL”，其與像素結(jié)點中的每一個相聯(lián)系并且為從I到N的每個像素所專有。為不使圖復雜化，采樣信號SHR和SHS未被顯示；它們與行選擇信號同步，應(yīng)當理解為，每個階段進行兩個系列的采樣和兩個系列轉(zhuǎn)換，因為每個階段內(nèi)三個存儲結(jié)點中的兩個從鄰近的光電二極管接收電荷。如果只有一個列導線，這些采樣連續(xù)進行。轉(zhuǎn)換信號CONV控制兩個模擬電勢差的同時轉(zhuǎn)換。從而其以周期Tp/3在每個階段重復。信號SHIFT將轉(zhuǎn)換電路計數(shù)器初始化為前一行的計數(shù)器在前一循環(huán)結(jié)束時的內(nèi)容。其以周期Tp發(fā)射。
[0137]每個階段內(nèi)有兩個同時的重置信號，第三個未激活，當改變階段時發(fā)生循環(huán)變更。同樣的，存在兩個同時的轉(zhuǎn)移信號而第三個仍未激活。就行選擇信號而言，如果只有一個列導線它們不可能是同步的，在這種情況下它們彼此相繼:信號SEL’ !至SEL’ N的系列接替SEL1至SELn的系列。同樣，每個階段使用兩個系列的信號，例如SEL1至SELn和SEL’ ι至SEL’ N，第三個未激活，并且對于其他階段進行循環(huán)變更。
[0138]對于第i個轉(zhuǎn)換電路所讀取的第i個像素:
[0139]階段1:首先重置第i個像素的上游結(jié)點和上游中間結(jié)點；逐行采樣這兩個重置電勢；接下來，允許電荷從光電二極管到這兩個結(jié)點的轉(zhuǎn)移(兩個結(jié)點之間的光電二極管的電荷為這兩個結(jié)點共享)；逐行采樣這些結(jié)點的有用電勢；在第i個轉(zhuǎn)換電路中同時地或連續(xù)地轉(zhuǎn)換兩個電勢差，其中的第i個轉(zhuǎn)換電路已經(jīng)用見到相同圖像部分的先前的像素預(yù)先初始化；下游 中間結(jié)點未被使用且不接收電荷。
[0140]階段2:重置兩個中間結(jié)點；這兩個重置電勢在相同的轉(zhuǎn)換電路被采樣，其中的轉(zhuǎn)換電路在階段I之后沒有被重置；允許電荷從光電二極管到所慮的兩個結(jié)點的轉(zhuǎn)移(鄰近這兩個結(jié)點的光電二極管的電荷是被共享的)；兩個采樣差再次在轉(zhuǎn)換電路被采樣和轉(zhuǎn)換；上游結(jié)點仍未使用。
[0141]階段3:除了使用了下游中間結(jié)點和下游結(jié)點之外其他相同；上游中間結(jié)點未被使用。未使用的結(jié)點從而經(jīng)歷循環(huán)變更。
[0142]階段3之后，第i個轉(zhuǎn)換器累積的計數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)移至第i+Ι個轉(zhuǎn)換器的計數(shù)器以得到所需的當前和，這對于全部像素是同時的。
[0143]這樣，第一階段PHla內(nèi)，如果考慮標號為i的三個鄰近存儲結(jié)點:
[0144]-在第一選擇脈沖SELi期間，第一存儲結(jié)點的重置電平在采樣電容被采樣，此重置電平在號RST之后得到；
[0145]-接下來，在選擇脈沖SEL’i期間，第二結(jié)點的重置電平在另一電容被采樣，此重置電平在信號RST’之后得到，信號RST’與信號RST同步；
[0146]-接下來，在另一脈沖SELi和另一脈沖SEL%期間，有用電平存儲于另外兩個電容(在同時轉(zhuǎn)移脈沖TRA和TRA’之后)；以及
[0147]-接下來，兩個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換基于這四個電容存儲的樣本進行。
[0148]下面的階段中，此過程以第二和第三存儲結(jié)點重新開始，其使用重置信號RST’和RST”而不是RST和RST’、選擇信號SEL’和SEL”而不是SEL和SEL’以及同時轉(zhuǎn)移信號TRA’和TRA”而不是TRA和TRA’，等等。
[0149]通過循環(huán)變更第三階段也是如此。
[0150]計數(shù)器只在三個階段的每個新周期性循環(huán)重置，在階段PHla積分的電荷的轉(zhuǎn)換之前。
[0151]應(yīng)當注意，根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器具有可以沿兩個方向運轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，即圖像移動的方向可以反轉(zhuǎn)而不損失TDI操作的益處；那么就需要設(shè)想，比如，計數(shù)器連接的反轉(zhuǎn)，或者甚至第i個像素與第N-1個轉(zhuǎn)換器相聯(lián)系。
[0152]如果需要，也可以選擇在小于N的η個像素上累積電荷。那么就需要在η個周期后將計數(shù)器歸零，并從第η個計數(shù)器讀取輸出結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種時間延遲電荷求和圖像傳感器，其電荷求和同步于所述傳感器與所述圖像之間的相對移動，所述傳感器包括N個按間距D分布的像素行，列中第i個的每個像素包括在移動方向上連續(xù)放置的第一和第二光電二極管(ProapProbj)，和通過電荷轉(zhuǎn)移柵極與所述光電二極管分離的三個電荷存儲結(jié)點，這些存儲結(jié)點包括位于兩個光電二極管之間的中間結(jié)點(NDCi),和與鄰近像素共享的其他兩個結(jié)點，所述其他兩個結(jié)點為，位于所述第i個像素的第一光電二極管與緊鄰第i個像素下游的第i+ι個像素的第二光電二極管之間的下游結(jié)點(NDEi)，和位于所述第i個像素的第二光電二極管與緊鄰第i個像素上游的第1-Ι個像素的第一光電二極管之間的上游結(jié)點(NDEp1),所述傳感器還包括: -與第i個每個像素相聯(lián)系的第i個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(CONVi);以及 -控制所述轉(zhuǎn)移柵極和所述轉(zhuǎn)換電路的裝置，其控制的所述轉(zhuǎn)移柵極和所述轉(zhuǎn)換電路用以在周期為Tp的周期性循環(huán)內(nèi)從光電二極管轉(zhuǎn)移電荷至置于其側(cè)面的一個或另一個存儲結(jié)點，然后轉(zhuǎn)換這些電荷，其中Tp是圖像移動等于所述像素行間距的距離所需的時間，其分為兩個階段，使得: -第一階段結(jié)束時，所述兩個光電二極管的電荷被轉(zhuǎn)移至所述中間結(jié)點；和 -時長為Tp/2的第二階段結(jié)束時，所述第i個像素的第一光電二極管的電荷和所述第i+1個下游像素的第二光電二極管的電荷被轉(zhuǎn)移至所述下游結(jié)點，然后下游結(jié)點中的電荷在與第i個像素相聯(lián)系的所述第i個轉(zhuǎn)換電路(CONVi)中被轉(zhuǎn)換；以及 -在所述第i個轉(zhuǎn)換電路中將兩階段循環(huán)內(nèi)進行的一次或多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果與在前一循環(huán)結(jié)束時所述第i-l個轉(zhuǎn)換電路先前累積的結(jié)果累積起來的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器，其特征在于，所述像素具有大致為方形的形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圖像傳感器，其特征在于，提供了選擇裝置，用來彼此獨立地選擇所述中間結(jié)點或所述下游結(jié)點以讀取其中包含的電荷，其特征還在于，所述第一階段結(jié)束時，所述電荷轉(zhuǎn)移至所述中間結(jié)點之后，此結(jié)點的電荷在與第i個像素相聯(lián)系的所述第i個轉(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圖像傳感器，其特征在于，所述中間結(jié)點和所述下游結(jié)點通過導線電連接以構(gòu)成電共有結(jié)點，其特征還在于，電共有結(jié)點中包含的電荷只在所述第二階段結(jié)束時而不在所述第一階段結(jié)束時于所述第i個轉(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器，其特征在于，提供了重置共有結(jié)點的裝置用以于電荷轉(zhuǎn)移至所述中間結(jié)點之前在所述第一階段而不是所述第二階段內(nèi)重置此結(jié)點。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，每個所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路包括計數(shù)器，所述計數(shù)器的內(nèi)容的增加正比于待轉(zhuǎn)換信號的模擬值，在所述周期性的兩階段循環(huán)開始時，而不是在同一循環(huán)的所述兩個階段之間，對應(yīng)于第i個像素的所述計數(shù)器的內(nèi)容被設(shè)定為之后第i-l個的轉(zhuǎn)換電路的計數(shù)器累積結(jié)果的值。
7.一種時間延遲電荷求和圖像傳感器，其電荷求和同步于所述傳感器與所述圖像之間的相對移動，所述傳感器包括N個按間距D分布的像素行，大致為方形的每個像素包括在所述傳感器于所述圖像前的移動方向上連續(xù)放置的P個光電二極管，P為大于2的整數(shù)，所述像素具有在像素的光電二極管之間的以及在給定像素列中鄰近像素的光電二極管之間的電荷存儲結(jié)點，所述像素還具有光電二極管與存儲結(jié)點之間的轉(zhuǎn)移柵極，所述存儲結(jié)點可以連接至列導線和個數(shù)與列中像素個數(shù)相等的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，每個轉(zhuǎn)換電路在每個階段能夠同時進行對應(yīng)于P-1個存儲結(jié)點上的電荷的P-1個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，這樣控制所述轉(zhuǎn)移柵極，使得電荷在周期為對應(yīng)于所述圖像移動距離D所需的時間的周期性循環(huán)中從一個光電二極管或者轉(zhuǎn)移至位于所述光電二極管下游的存儲結(jié)點或者轉(zhuǎn)移至位于上游的結(jié)點，所述循環(huán)包括時長相等的P個階段，所述柵極的控制使得每個階段中存在不從所述光電二極管接收電荷的存儲結(jié)點，并且不接收電荷的結(jié)點在每個新階段循環(huán)變更，其他存儲結(jié)點接收的電荷在周期的各個階段內(nèi)以及與所述移動同步的N個連續(xù)周期內(nèi)被數(shù)字化并相加到一起，使得所述相加結(jié)果每次源自兩個鄰近的光電二極管，這兩個光電二極管在P個階段中并不是相同的，但是在P個階段的循環(huán)內(nèi)見到了相同的圖像部分。
【文檔編號】H04N5/372GK103918253SQ201280053661
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月4日
【發(fā)明者】F·邁耶, H·比涅 申請人:E2V半導體公司