CMOS图像传感器中时间延迟积分(TDI)技术研究与优化

"CMOS图像传感器中时间延迟积分的实现与优化" CMOS图像传感器是现代电子成像系统中的一种核心组件，尤其在高速监控、精确测量和科学成像等领域具有广泛应用。时间延迟积分（Time Delay and Integration，简称TDI）技术是一种能显著提升图像传感器性能的手段，尤其在低光照环境或高速移动场景下。它通过连续多次曝光并将信号累积，以增强最终的图像信号强度，从而提高信噪比。 传统的TDI技术主要依赖于电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称CCD）。虽然CCD在TDI中表现出无噪声电荷累加的优势，但其集成度低、工作电压高、不兼容深亚微米工艺以及无法随机读取图像信息等问题限制了其发展。随着CMOS集成电路工艺的进步，尤其是开关电容电路设计技术的发展，CMOS图像传感器逐渐成为替代CCD的新选择。CMOS传感器集成了光电转换、读出和模数转换等多种功能，且能与先进工艺兼容，降低了功耗，提高了集成度。 TDI在CMOS图像传感器中的实现面临的主要挑战是如何降低噪声并实现信号的有效累加。文章提出了一种基于CMOS工艺的开关电容电路结构，用于实现TDI功能。开关电容电路能够在保持低噪声的同时，完成多次曝光的信号累加。通过对电路噪声的深入分析，文章提出了器件级别的噪声优化策略，以减少信号累加过程中的噪声干扰。 TDI的工作原理可理解为对同一移动物体进行多次曝光并积累信号。每个像素单元在每个曝光阶段接收一部分光线，然后将信号传递到下一阶段，直至完成n级的累加。这样，随着级数的增加，图像的信号强度也随之增强。关键在于设计出能有效抑制噪声增长的电路，确保信号积累过程中噪声的贡献降到最低。 文章中提到的CMOS-TDI结构，采用SMIC0.35μm CMOS工艺进行了仿真验证，结果显示，这种基于开关电容的TDI电路不仅能够实现TDI功能，而且具有低噪声特性，这对于提高图像质量和信噪比至关重要。 CMOS图像传感器通过TDI技术实现了对传统CCD的性能超越，克服了CCD的一些缺点，尤其是在噪声控制和集成度方面取得了进步。通过创新的电路设计和优化策略，可以期望在未来的高速监控和高精度成像应用中，CMOS-TDI技术会发挥更大的作用。