CMOSTDI图像传感器及其控制方法

摘要

本发明涉及一种CMOSTDI图像传感器，2级CMOS TDI图像传感器，每列的第一、第二像素有各自独立的光电二极管，两个像素共有一个电荷转移区及电荷放大模块，两个像素曝光产生的电荷在电荷转移区累加后通过电荷放大模块输出一个相应的电压信号。由于在像素级实现电荷累加，不引入额外噪声，信号提升2倍，则信噪比同样提升2倍。M级CMOSTDI图像传感器，每个重复单元包含两行像素；每个重复单元的每列第一、第二像素共用一个电荷转移区及一个电荷放大模块，第一、第二像素曝光产生的电荷在电荷转移区中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号；噪声仅提升倍，信噪比较传统M级TDI提升倍。

权利要求

1.一种CMOSTDI图像传感器的控制方法，其特征在于所述的CMOSTDI图像传感器包含两行像素，每列的第一、第二像素(P1)、(P2)共用一个电荷转移区及电荷放大模块；第一、第二像素(P1)、(P2)曝光产生的电荷在电荷转移区中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号；该图像传感器的控制方法包括下述步骤：一、设物体由N1、N2、……、Nn共n个部分组成，在t1时间段，N1运动到第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N1进行曝光；

二、t1结束之前，停止曝光，第一像素(P1)中N1的曝光电荷转移至电荷转移区中；

三、在t2时间段，N2运动到第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N2进行第一次曝光，同时N1运动到第二像素(P2)的成像区，第二像素(P2)对N1进行第二次曝光；

四、t2结束之前，首先转移第二像素(P2)中N1的曝光电荷至电荷转移区，与t1时间段N1的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将N1的2级电荷累加结果读出；

五、将电荷转移区进行复位，然后转移第一像素(P1)中N2的曝光电荷至电荷转移区；

六、在t3时间段，N3运动到第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N3进行第一次曝光，同时N2运动到第二像素(P2)的成像区，第二像素(P2)对N2进行第二次曝光；

七、t3结束之前，首先转移第二像素(P2)中N2的曝光电荷至电荷转移区，与t2时间段N2的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将N2的2级电荷累加结果读出；

八、将电荷转移区进行复位，然后转移第一像素(P1)中N3的曝光电荷至电荷转移区；

九、依次类推，最后在tn+1结束时得到Nn的2级电荷累加结果。

2.一种CMOSTDI图像传感器的控制方法，其特征在于所述CMOSTDI图像传感器包含两行像素，横向溢出栅开关结构；每列的第一、第二像素(P1)、(P2)共用一个电荷转移区及电荷放大模块；第一、第二像素(P1)、(P2)曝光产生的电荷在电荷转移区中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号；横向溢出栅开关结构由一个开关晶体管(M)构成，该开关晶体管(M)的源极连接电荷转移区(FD)，漏极通过存储电容(C)连接电源地或者任一稳定电源电位；存储电容(C)作为电荷存储区；该图像传感器的控制方法包括下述步骤：一、首先将横向溢出栅开关结构半导通；设物体由N1、N2、……、Nn共n个部分组成，在t1时间段，N1运动到第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N1进行曝光；

二、t1结束之前，停止曝光，第一像素(P1)中N1的曝光电荷转移至电荷转移区中，当曝光量较小时，全部曝光电荷存储在电荷转移区，当曝光量较大时，多余的曝光电荷溢出到电荷存储区中；

三、在t2时间段，N2运动到第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N2进行第一次曝光，同时N1运动到第二像素(P2)的成像区，第二像素(P2)对N1进行第二次曝光；

四、t2结束之前，首先转移第二像素(P2)中N1的曝光电荷至电荷转移区，与t1时间段N1的曝光电荷累加，多余电荷将通过横向溢出栅沟道溢出至电荷存储区中；通过电荷放大模块将电荷转移区的高增益信号读出；最后将横向溢出栅开关结构闭合，通过电荷放大模块将在电荷转移区和电荷存储区重新分配后的低增益信号结果读出；

五、将电荷转移区和电荷存储区进行复位，将横向溢出栅开关结构半导通，然后转移第一像素(P1)中N2的曝光电荷至电荷转移区；

六、在t3时间段，N3运动到第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N3进行第一次曝光，同时N2运动到第二像素(P2)的成像区，第二像素(P2)对N2进行第二次曝光；

七、t3结束之前，首先转移第二像素(P2)中N2的曝光电荷至电荷转移区，与t2时间段N2的曝光电荷累加，多余电荷将通过横向溢出栅沟道溢出至电荷存储区中；通过电荷放大模块将电荷转移区的高增益信号读出；最后将横向溢出栅开关结构闭合，通过电荷放大模块将在电荷转移区和电荷存储区重新分配后的低增益信号结果读出；

八、将电荷转移区和电荷存储区进行复位，将横向溢出栅开关结构半导通，然后转移第一像素(P1)中N3的曝光电荷至电荷转移区；

九、依次类推，最后在tn+1结束时得到Nn的2级电荷累加结果。

3.一种CMOSTDI图像传感器的控制方法，其特征在于所述的CMOSTDI图像传感器包含M/

2个重复单元，每个重复单元包含两行像素；每个重复单元的每列第一、第二像素共用一个电荷转移区及一个电荷放大模块，第一、第二像素曝光产生的电荷在电荷转移区中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号；其中，M为大于等于2的偶数；该图像传感器的控制方法包括下述步骤：一、设物体由N1、N2、……、Nn共n个部分组成，在t1时间段，N1运动到第一重复单元第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N1进行曝光；

二、t1结束之前，停止曝光，第一重复单元第一像素(P1)中的曝光电荷转移至第一重复单元电荷转移区中；

三、在t2时间段，N2运动到第一重复单元第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N2进行第一次曝光，同时N1运动到第一重复单元第二像素(P2)的成像区，第二像素(P2)对N1进行第二次曝光；

四、t2结束之前，首先转移第一重复单元第二像素(P2)中N1的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区，与t1时间段N1的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将N1的2级电荷累加结果读出；

五、将第一重复单元电荷转移区进行复位，然后转移第一重复单元第一像素(P1)中N2的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区；

六、在t3时间段，N3运动到第一重复单元第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N3进行第一次曝光，同时N2运动到第一重复单元第二像素(P2)的成像区，第二像素(P2)对N2进行第二次曝光，N1运动到第二重复单元第一像素(P3)的成像区，第一像素(P3)对N1进行第三次曝光；

七、t3结束之前，首先转移第一重复单元第二像素(P2)中N2的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区，与t2时间段N2的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将N2的2级电荷累加结果读出；

八、将第一重复单元电荷转移区进行复位，然后转移第一重复单元第一像素(P1)中N3的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区；转移第二重复单元第一像素(P3)中N1的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区；

九、在t4时间段，N4运动到第一重复单元第一像素(P1)的成像区，第一像素(P1)对N4进行第一次曝光，同时N3运动到第一重复单元第二像素(P2)的成像区，第二像素(P2)对N3进行第二次曝光，N2运动到第二重复单元第一像素(P3)的成像区，第二重复单元第一像素(P3)对N2进行第三次曝光；N1运动到第二重复单元第二像素(P4)的成像区，第二重复单元第二像素(P4)对N1进行第四次曝光；

十、t4结束之前，首先转移第一重复单元第二像素(P2)中N3的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区，与t3时间段N3的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将N3的2级电荷累加结果读出；同时转移第二重复单元第二像素(P2)中N1的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区，与t3时间段N1的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将N1的2级电荷累加结果读出；

十一、将第一、第二重复单元电荷转移区进行复位，然后转移第一重复单元第一像素(P1)中N4的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区；转移第二重复单元第一像素(P3)中N2的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区；

十二、依此类推，得到物体n个部分的M/2次2级电荷累加结果对应的电压值。

说明书

CMOSTDI图像传感器及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于TDI图像传感器技术领域，具体涉及一种CMOSTDI图像传感器及其控制方法。

背景技术

[0002] 时间延时积分(Time Delay Integration,简称TDI)图像传感器是线性图像传感器的一种演变。成像机理为对拍摄物体所经过的像素逐行进行曝光，将曝光结果累加，从而解决高速运动物体曝光时间不足所引起的成像信号弱问题。TDI图像传感器可以增加有效曝光时间，提高图像信噪比。

[0003] TDI图像传感器分为CCD和CMOS两种，由于TDI的成像机理和CCD图像传感器电荷转移机理一致，传统的TDI图像传感器一般都采用CCD工艺制造。该CCD TDI可以实现电荷无损转移并累加，不引入额外噪声。如果电荷累加M级(具有M行的TDI图像传感器)，则信噪比提升M倍。然而由于CCD工艺的特殊性，无法在图像传感器上集成其他处理电路，通用性和灵活性较差。

[0004] 另外一种TDI图像传感器为CMOS类型，基本架构如图1所示。该TDI图像传感器基于通用CMOS制造工艺，每个像素对应一个电荷转移区，转移至该区的电荷经过一个电荷放大模块转换为电压信号。传感器阵列逐行曝光速度与物体行进速度一致，每行像素输出一个电压信号。所有M行输出电压信号累加，对于M级TDI图像传感器，信号提升M倍，但电压域噪声也随之提升 倍，因而信噪比仅提升 倍。除此之外，由于每一次曝光都需要读出多行的电压信息进行累加，增加了读出电路设计的复杂度。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种CMOSTDI图像传感器及其控制方法，该图像传感器基于通用CMOS制造工艺，可以实现电荷无损转移，不引入额外噪声，提高信噪比。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的CMOSTDI图像传感器可以采用下述两种技术方案。

[0007] 技术方案一

[0008] 本发明的CMOSTDI图像传感器包含两行像素，其中每列的第一、第二像素P1、P2共用一个电荷转移区及电荷放大模块；第一、第二像素P1、P2曝光产生的电荷在电荷转移区中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号。

[0009] 上述CMOSTDI图像传感器的控制方法如下：

[0010] 一、设物体由N1、N2、……、Nn共n个部分组成，在t1时间段，N1运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对N1进行曝光；

[0011] 二、t1结束之前，停止曝光，第一像素P1中N1的曝光电荷转移至电荷转移区中；

[0012] 三、在t2时间段，N2运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对N2进行第一次曝光，同时N1运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对N1进行第二次曝光；

[0013] 四、t2结束之前，首先转移第二像素P2中N1的曝光电荷至电荷转移区，与t1时间段N1的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将N1的2级电荷累加结果读出；

[0014] 五、将电荷转移区进行复位，然后转移第一像素P1中N2的曝光电荷至电荷转移区；

[0015] 六、在t3时间段，N3运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对N3进行第一次曝光，同时N2运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对N2进行第二次曝光；

[0016] 七、t3结束之前，首先转移第二像素P2中N2的曝光电荷至电荷转移区，与t2时间段N2的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将N2的2级电荷累加结果读出；

[0017] 八、将电荷转移区进行复位，然后转移第一像素P1中N3的曝光电荷至电荷转移区；

[0018] 九、依次类推，最后在tn+1结束时得到Nn的2级电荷累加结果。

[0019] 经过上述步骤，最终得到物体Nn个部分的1次2级电荷累加结果对应的电压值。

[0020] 本发明的2级CMOSTDI图像传感器每列的第一、第二像素有各自独立的光电二极管，两个像素共有一个电荷转移区及电荷放大模块，两个像素曝光产生的电荷在电荷转移区累加后通过电荷放大模块输出一个相应的电压信号。

[0021] 对于传统2级CMOS TDI图像传感器，2级信号累加在电压域实现，相比普通线阵传感器，信号提升2倍，噪声提升 倍，信噪比提升 倍。本发明由于在像素级实现电荷累加，不引入额外噪声，信号提升2倍，则信噪比同样提升2倍。

[0022] 对于该两级TDI图像传感器，其具体像素架构可以有多种选择，只要可以进行相邻两行像素的两次曝光电荷像素级累加，实现TDI工作方式，即在本发明保护的范围内。

[0023] 进一步，本发明的CMOSTDI图像传感器还包括横向溢出栅开关结构；电荷转移区FD通过横向溢出栅开关结构与电荷存储区相连。

[0024] 所述横向溢出栅开关结构由一个开关晶体管M构成，该开关晶体管M的源极连接电荷转移区FD，漏极通过存储电容C连接电源地或者任一稳定电源电位；存储电容C作为电荷存储区。

[0025] 上述CMOSTDI图像传感器的控制方法如下：

[0026] 一、首先将横向溢出栅开关结构半导通，设物体由N1、N2、……、Nn共n个部分组成，在t1时间段，N1运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对N1进行曝光；

[0027] 二、t1结束之前，停止曝光，第一像素P1中N1的曝光电荷转移至电荷转移区中，当曝光量较小时，全部曝光电荷存储在电荷转移区，当曝光量较大时，多余的曝光电荷溢出到电荷存储区中；

[0028] 三、在t2时间段，N2运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对N2进行第一次曝光，同时N1运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对N1进行第二次曝光；

[0029] 四、t2结束之前，首先转移第二像素P2中N1的曝光电荷至电荷转移区，与t1时间段N1的曝光电荷累加，多余电荷将通过横向溢出栅沟道溢出至电荷存储区中；通过电荷放大模块将电荷转移区的高增益信号读出；最后将横向溢出栅开关结构闭合，通过电荷放大模块将在电荷转移区和电荷存储区重新分配后的低增益信号结果读出；

[0030] 五、将电荷转移区和电荷存储区进行复位，将横向溢出栅开关结构半导通，然后转移第一像素P1中N2的曝光电荷至电荷转移区；

[0031] 六、在t3时间段，N3运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对N3进行第一次曝光，同时N2运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对N2进行第二次曝光；

[0032] 七、t3结束之前，首先转移第二像素P2中N2的曝光电荷至电荷转移区，与t2时间段N2的曝光电荷累加，多余电荷将通过横向溢出栅沟道溢出至电荷存储区中；通过电荷放大模块将电荷转移区的高增益信号读出；最后将横向溢出栅开关结构闭合，通过电荷放大模块将在电荷转移区和电荷存储区重新分配后的低增益信号结果读出；

[0033] 八、将电荷转移区和电荷存储区进行复位，将横向溢出栅开关结构半导通，然后转移第一像素P1中N3的曝光电荷至电荷转移区；

[0034] 九、依次类推，最后在tn+1结束时得到Nn的2级电荷累加结果。

[0035] 经过上述步骤，最终得到物体Nn个部分的1次2级电荷累加结果对应的电压值。

[0036] 通过上述方法，得到的两个高低增益信号在片外进行合成处理，可以增大TDI图像传感器的感光动态范围。

[0037] 技术方案二

[0038] 本发明的CMOSTDI图像传感器包含M/2个重复单元，每个重复单元包含两行像素；每个重复单元的每列第一、第二像素共用一个电荷转移区及一个电荷放大模块，第一、第二像素曝光产生的电荷在电荷转移区中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号；其中，M为大于等于2的偶数。

[0039] 上述TDI图像传感器，两行像素构成一个重复单元，在重复单元内部实现2级曝光电荷累加，各重复基本单元输出的电压信号，再进行电压累加。因此，使用本发明，由于在像素级实现了一次电荷累加，不引入额外噪声。相比于传统CMOS TDI图像传感器的完全电压累加，本发明噪声降低，即对于M级传统TDI，噪声提升 倍，但本发明M级TDI，噪声仅提升倍，相应地，信噪比较传统M级TDI提升 倍。

[0040] 电荷转换增益表征图像传感器将光生电荷信号转换为电压信号的能力。本发明可以提升信噪比的前提是相邻两行像素共用一个电荷转移区，电荷转换增益不变。若直接利用本发明的基本构思(多行像素共用一个电荷转移区)实现多级TDI图像传感器，则电荷转换增益降低，经过累加后的电荷信号转换成电压信号值降低，相应噪声也降低，无法提升信噪比。

[0041] 上述CMOSTDI图像传感器的控制方法如下：

[0042] 一、设物体由N1、N2、……、Nn共n个部分组成，在t1时间段，N1运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对N1进行曝光；

[0043] 二、t1结束之前，停止曝光，第一重复单元第一像素P1中的曝光电荷转移至第一重复单元电荷转移区中；

[0044] 三、在t2时间段，N2运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对N2进行第一次曝光，同时N1运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对N1进行第二次曝光；

[0045] 四、t2结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中N1的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区，与t1时间段N1的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将N1的2级电荷累加结果读出；

[0046] 五、将第一重复单元电荷转移区进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中N2的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区；

[0047] 六、在t3时间段，N3运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对N3进行第一次曝光，同时N2运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对N2进行第二次曝光，N1运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第一像素P3对N1进行第三次曝光；

[0048] 七、t3结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中N2的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区，与t2时间段N2的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将N2的2级电荷累加结果读出；

[0049] 八、将第一重复单元电荷转移区进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中N3的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区；转移第二重复单元第一像素P3中N1的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区；

[0050] 九、在t4时间段，N4运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对N4进行第一次曝光，同时N3运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对N3进行第二次曝光，N2运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第二重复单元第一像素P3对N2进行第三次曝光；N1运动到第二重复单元第二像素P4的成像区，第二重复单元第二像素P4对N1进行第四次曝光；

[0051] 十、t4结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中N3的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区，与t3时间段N3的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将N3的2级电荷累加结果读出；同时转移第二重复单元第二像素P2中N1的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区，与t3时间段N1的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将N1的2级电荷累加结果读出；

[0052] 十一、将第一、第二重复单元电荷转移区进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中N4的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区；转移第二重复单元第一像素P3中N2的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区；

[0053] 十二、依此类推，得到物体n个部分的M/2次2级电荷累加结果对应的电压值。

[0054] 在图像传感器外部对得到的物体每个部分的M/2个电压值进行相加处理，最终可以得到M级累加结果。或者在图像传感器内部集成存储单元(可以由多个电容阵列组成)，存储M/2个电压结果，然后用加法器对电压结果进行累加，这样可以直接由图像传感器输出累加结果，不需要外部数据相加处理，简化了系统复杂度。通过这种方法设计的M级TDI图像传感器，信号提升M倍，噪声提升 倍。

附图说明

[0055] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

[0056] 图1是传统CMOS TDI图像传感器架构示意图。

[0057] 图2是本发明的CMOS TDI图像传感器实施例1架构示意图。

[0058] 图3是本发明实施例1的CMOS TDI图像传感器与成像物体在时间上的对应关系示意图。

[0059] 图4a～图4e是实施例1的CMOS TDI图像传感器各行像素工作时序示意图。

[0060] 图5是本发明的CMOS TDI图像传感器实施例2架构示意图。

[0061] 图6是本发明实施例2的CMOS TDI图像传感器与成像物体在时间上的对应关系示意图。

[0062] 图7a～图7k是实施例2的CMOS TDI图像传感器各行像素工作时序示意图。

[0063] 图8是本发明的CMOS TDI图像传感器实施例3的架构示意图。

具体实施方式

[0064] 实施例1

[0065] 如图2所示，CMOSTDI图像传感器包含两行像素，其中每列的第一、第二像素P1、P2有独立的光电二极管PD，两个像素共用一个电荷转移区FD及电荷放大模块；第一、第二像素P1、P2曝光产生的电荷在电荷转移区FD中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号。

[0066] 图3举例说明了该2级CMOSTDI图像传感器与成像物体在时间上的对应关系。假设一个物体由A、B、C、D四个部分组成，物体相对图像传感器进行运动。如图4a～图4e所示，该2级CMOSTDI图像传感器控制方法步骤如下：

[0067] 一、在t1时间段，A运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对A进行曝光；

[0068] 二、t1结束之前，停止曝光，第一像素P1中A的曝光电荷转移至电荷转移区FD中；

[0069] 三、在t2时间段，B运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对B进行第一次曝光，同时A运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对A进行第二次曝光；

[0070] 四、t2结束之前，首先转移第二像素P2中A的曝光电荷至电荷转移区FD，与t1时间段A的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将A的2级电荷累加结果读出；

[0071] 五、将电荷转移区FD进行复位，然后转移第一像素P1中B的曝光电荷至电荷转移区FD；

[0072] 六、在t3时间段，C运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对C进行第一次曝光，同时B运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对B进行第二次曝光；

[0073] 七、t3结束之前，首先转移第二像素P2中B的曝光电荷至电荷转移区FD，与t2时间段B的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将B的2级电荷累加结果读出；

[0074] 八、将电荷转移区FD进行复位，然后转移第一像素P1中C的曝光电荷至电荷转移区FD；

[0075] 九、在t4时间段，D运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对D进行第一次曝光，同时C运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对C进行第二次曝光；

[0076] 十、t4结束之前，首先转移第二像素P2中C的曝光电荷至电荷转移区FD，与t3时间段C的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将C的2级电荷累加结果读出；

[0077] 十一、将电荷转移区FD进行复位，然后转移第一像素P1中D的曝光电荷至电荷转移区FD；

[0078] 十二、在t5时间段，D运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对D进行第二次曝光；

[0079] 十三、t5结束之前，首先转移第二像素P2中D的曝光电荷至电荷转移区FD，与t4时间段D的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将D的2级电荷累加结果读出；

[0080] 十四、将电荷转移区FD进行复位，最终得到物体A、B、C、D四个部分的2级电荷累加结果。

[0081] 实施例2

[0082] 如图5所示，CMOSTDI图像传感器包含M/2个重复单元，每个重复单元包含两行像素；每个重复单元的每列第一、第二像素共用一个电荷转移区及一个电荷放大模块，第一、第二像素曝光产生的电荷在电荷转移区中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号；其中，M为大于等于2的偶数。

[0083] 图6举例说明了6级CMOSTDI图像传感器与成像物体在时间上的对应关系。假设一个物体由A、B、C、D、E、F六个部分组成，物体相对图像传感器进行运动。如图7a～图7k所示，该6级CMOSTDI图像传感器控制方法步骤如下：

[0084] 一、在t1时间段，A运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对A进行曝光；

[0085] 二、t1结束之前，停止曝光，第一重复单元第一像素P1中的曝光电荷转移至第一重复单元电荷转移区FD中；

[0086] 三、在t2时间段，B运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对B进行第一次曝光，同时A运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对A进行第二次曝光；

[0087] 四、t2结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中A的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD，与t1时间段A的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将A的2级电荷累加结果读出；

[0088] 五、将第一重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中B的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD；

[0089] 六、在t3时间段，C运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对C进行第一次曝光，同时B运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对B进行第二次曝光，A运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第一像素P3对A进行第三次曝光；

[0090] 七、t3结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中B的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD，与t2时间段B的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将B的2级电荷累加结果读出；

[0091] 八、将第一重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中C的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD；转移第二重复单元第一像素P3中A的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD；

[0092] 九、在t4时间段，D运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对D进行第一次曝光，同时C运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对C进行第二次曝光，B运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第二重复单元第一像素P3对B进行第三次曝光；A运动到第二重复单元第二像素P4的成像区，第二重复单元第二像素P4对A进行第四次曝光；

[0093] 十、t4结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中C的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD，与t3时间段C的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将C的2级电荷累加结果读出；同时转移第二重复单元第二像素P4中A的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD，与t3时间段A的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将A的2级电荷累加结果读出；

[0094] 十一、将第一、第二重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中D的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD；转移第二重复单元第一像素P3中B的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD；

[0095] 十二、在t5时间段，E运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对E进行第一次曝光，同时D运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对D进行第二次曝光，C运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第二重复单元第一像素P3对C进行第三次曝光；B运动到第二重复单元第二像素P4的成像区，第二重复单元第二像素P4对B进行第四次曝光；A运动到第三重复单元第一像素P5的成像区，第三重复单元第一像素P5对A进行第五次曝光；

[0096] 十三、t5结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中D的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD，与t4时间段D的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将D的2级电荷累加结果读出；同时转移第二重复单元第二像素P4中B的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD，与t4时间段B的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将B的2级电荷累加结果读出；

[0097] 十四、将第一、第二重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中E的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD；转移第二重复单元第一像素P3中C的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD；转移第三重复单元第一像素P5中A的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD；

[0098] 十五、在t6时间段，F运动到第一重复单元第一像素P1的成像区，第一像素P1对F进行第一次曝光，同时E运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对E进行第二次曝光，D运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第二重复单元第一像素P3对D进行第三次曝光；C运动到第二重复单元第二像素P4的成像区，第二重复单元第二像素P4对C进行第四次曝光；B运动到第三重复单元第一像素P5的成像区，第三重复单元第一像素P5对B进行第五次曝光；A运动到第三重复单元第二像素P6的成像区，第三重复单元第二像素P6对A进行第六次曝光；

[0099] 十六、t6结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中E的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD，与t5时间段E的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将E的2级电荷累加结果读出；同时转移第二重复单元第二像素P4中C的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD，与t5时间段C的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将C的2级电荷累加结果读出；同时转移第三重复单元第二像素P6中A的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD，与t5时间段A的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将A的2级电荷累加结果读出；

[0100] 十七、将第一、第二、第三重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第一重复单元第一像素P1中F的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD；转移第二重复单元第一像素P3中D的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD；转移第三重复单元第一像素P5中B的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD；

[0101] 十八、在t7时间段，F运动到第一重复单元第二像素P2的成像区，第二像素P2对F进行第二次曝光，E运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第二重复单元第一像素P3对E进行第三次曝光；D运动到第二重复单元第二像素P4的成像区，第二重复单元第二像素P4对D进行第四次曝光；C运动到第三重复单元第一像素P5的成像区，第三重复单元第一像素P5对C进行第五次曝光；B运动到第三重复单元第二像素P6的成像区，第三重复单元第二像素P6对B进行第六次曝光；

[0102] 十九、t7结束之前，首先转移第一重复单元第二像素P2中F的曝光电荷至第一重复单元电荷转移区FD，与t6时间段E的曝光电荷累加，然后通过第一重复单元电荷放大模块将F的2级电荷累加结果读出；同时转移第二重复单元第二像素P4中D的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD，与t6时间段D的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将D的2级电荷累加结果读出；同时转移第三重复单元第二像素P6中B的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD，与t6时间段B的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将B的2级电荷累加结果读出；

[0103] 二十、将第一、第二、第三重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第二重复单元第一像素P3中E的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD；转移第三重复单元第一像素P5中C的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD；

[0104] 二十一、在t8时间段，F运动到第二重复单元第一像素P3的成像区，第二重复单元第一像素P3对F进行第三次曝光；E运动到第二重复单元第二像素P4的成像区，第二重复单元第二像素P4对E进行第四次曝光；D运动到第三重复单元第一像素P5的成像区，第三重复单元第一像素P5对D进行第五次曝光；C运动到第三重复单元第二像素P6的成像区，第三重复单元第二像素P6对C进行第六次曝光；

[0105] 二十二、t8结束之前，转移第二重复单元第二像素P4中E的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD，与t7时间段E的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将E的2级电荷累加结果读出；同时转移第三重复单元第二像素P6中C的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD，与t7时间段C的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将C的2级电荷累加结果读出；

[0106] 二十三、将第二、第三重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第二重复单元第一像素P3中F的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD；转移第三重复单元第一像素P5中D的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD；

[0107] 二十四、在t9时间段，F运动到第二重复单元第二像素P4的成像区，第二重复单元第二像素P4对F进行第四次曝光；E运动到第三重复单元第一像素P5的成像区，第三重复单元第一像素P5对E进行第五次曝光；D运动到第三重复单元第二像素P6的成像区，第三重复单元第二像素P6对D进行第六次曝光；

[0108] 二十五、t9结束之前，转移第二重复单元第二像素P4中F的曝光电荷至第二重复单元电荷转移区FD，与t8时间段F的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将F的2级电荷累加结果读出；同时转移第三重复单元第二像素P6中D的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD，与t8时间段D的曝光电荷累加，然后通过第二重复单元电荷放大模块将D的2级电荷累加结果读出；

[0109] 二十六、将第二、第三重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第三重复单元第一像素P5中E的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD；

[0110] 二十七、在t10时间段，F运动到第三重复单元第一像素P5的成像区，第三重复单元第一像素P5对F进行第五次曝光；E运动到第三重复单元第二像素P6的成像区，第三重复单元第二像素P6对E进行第六次曝光；

[0111] 二十八、t10结束之前，转移第三重复单元第二像素P6中E的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD，与t9时间段E的曝光电荷累加，然后通过第三重复单元电荷放大模块将E的2级电荷累加结果读出；

[0112] 二十九、将第三重复单元电荷转移区FD进行复位，然后转移第三重复单元第一像素P5中F的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD；

[0113] 三十、在t11时间段，F运动到第三重复单元第二像素P6的成像区，第三重复单元第二像素P6对F进行第六次曝光；

[0114] 三十一、t11结束之前，转移第三重复单元第二像素P6中F的曝光电荷至第三重复单元电荷转移区FD，与t10时间段F的曝光电荷累加，然后通过第三重复单元电荷放大模块将F的2级电荷累加结果读出；

[0115] 三十二、将第三重复单元电荷转移区FD进行复位，最终得到物体六个部分的3次2级电荷累加结果对应的电压值。

[0116] 在图像传感器外部对得到的3个电压值进行相加处理，最终可以得到6级累加，信号提升6倍，噪声提升 倍。

[0117] 实施例3

[0118] 如图8所示，本发明的CMOSTDI图像传感器包含横向溢出栅开关结构和两行像素，横向溢出栅开关结构由一个开关晶体管M构成；其中每列的第一、第二像素P1、P2共用一个电荷转移区FD及电荷放大模块；第一、第二像素P1、P2曝光产生的电荷在电荷转移区FD中累加后通过电荷放大模块输出相应的电压信号；开关晶体管M的源极连接电荷转移区FD，漏极通过存储电容C连接电源地或者任一稳定电源电位；存储电容C作为电荷存储区。

[0119] 该2级CMOSTDI图像传感器控制方法步骤如下：

[0120] 一、在t1时间段，A运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对A进行曝光；

[0121] 二、t1结束之前，停止曝光，第一像素P1中A的曝光电荷转移至电荷转移区FD中，转移之前使横向溢出栅半导通(半导通电压设定原则是保证溢出栅沟道下的电势低于浮置扩散区FD并高于光电二极管被复位的电势)，这样当曝光量较小时，全部曝光电荷存储在电荷转移区，当曝光量较大时，多余的曝光电荷溢出到电荷存储区中；

[0122] 三、在t2时间段，B运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对B进行第一次曝光，同时A运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对A进行第二次曝光；

[0123] 四、t2结束之前，首先转移第二像素P2中A的曝光电荷至电荷转移区FD，与t1时间段A的曝光电荷累加，多余电荷将通过横向溢出栅沟道溢出至存储电容C中；通过电荷放大模块将电荷转移区FD的高增益信号读出；最后将开关晶体管M闭合，通过电荷放大模块将A的2级累加电荷在电荷转移区FD和存储电容C重新分配后的低增益信号结果读出；

[0124] 五、将电荷转移区FD和存储电容C进行复位，将横向溢出栅半导通，然后转移第一像素P1中B的曝光电荷至电荷转移区FD；

[0125] 六、在t3时间段，C运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对C进行第一次曝光，同时B运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对B进行第二次曝光；

[0126] 七、t3结束之前，首先转移第二像素P2中B的曝光电荷至电荷转移区FD，与t2时间段B的曝光电荷累加，多余电荷将通过横向溢出栅沟道溢出至存储电容C中；通过电荷放大模块将电荷转移区FD的高增益信号读出；最后将开关晶体管M闭合，通过电荷放大模块将B的2级累加电荷在电荷转移区FD和存储电容C重新分配后的低增益信号结果读出；

[0127] 八、将电荷转移区FD和存储电容C进行复位，将横向溢出栅半导通，然后转移第一像素P1中C的曝光电荷至电荷转移区FD；

[0128] 九、在t4时间段，D运动到第一像素P1的成像区，第一像素P1对D进行第一次曝光，同时C运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对C进行第二次曝光；

[0129] 十、t4结束之前，首先转移第二像素P2中C的曝光电荷至电荷转移区FD和存储电容C中，与t3时间段C的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将C的2级电荷累加结果的高增益和低增益信号分别读出；

[0130] 十一、将电荷转移区FD和存储电容C进行复位，然后转移第一像素P1中D的曝光电荷至电荷转移区FD；

[0131] 十二、在t5时间段，D运动到第二像素P2的成像区，第二像素P2对D进行第二次曝光；

[0132] 十三、t5结束之前，首先转移第二像素P2中D的曝光电荷至电荷转移区FD和存储电容C中，与t4时间段D的曝光电荷累加，然后通过电荷放大模块将D的2级电荷累加结果的高增益和低增益信号分别读出；

[0133] 十四、将电荷转移区FD和存储电容C中进行复位，最终得到物体A、B、C、D四个部分的2级电荷累加结果的两个增益值。得到的两个高低增益信号在片外进行合成处理，可以增大TDI图像传感器的感光动态范围。

[0134] 横向溢出栅开关结构还可以采用一个高动态晶体管或多个串联的高动态晶体管，高动态晶体管的沟道作为电荷存储区。

[0135] 本发明中图2、图5传感器架构为一个简单示意图，不限制具体的像素电路结构。各种图像传感器像素只要通过该示意图提供的架构(两行像素共用一个电荷转移区)及控制方法，能够实现2级TDI或多级TDI功能，即在本发明保护的范围内。