一、面陣與線陣圖像傳感器

????????? 人們在日常生活中見到的相機大多基于普通的面陣圖像傳感器，這種相機多用來拍攝靜止的物體。即使用它們來拍攝運動的物體，也僅僅是縮短了相鄰兩次拍攝的時間間隔，無需對所拍攝圖像進行額外操作，對物體的運動方向和速度也沒有限定條件。

????????除此之外，還有一類線陣圖像傳感器，感光陣列由一行像素構成，其主要特點就是拍攝時需與被攝物體保持特定方向和速度的相對運動，每完成一次拍攝可以獲得一行圖像信息，因此對一幅完整圖像的獲取需要完成多行圖像信息的拼接。

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面陣相機：實現的是像素矩陣拍攝。相機拍攝圖像中，表現圖像細節不是由像素多少決定的，是由分辨率決定的。應用面較廣，可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。像元總數多，而每行的像元數一般較線陣少，幀幅率受到限制，由于生產技術的制約，單個面陣的面積很難達到一般工業測量現場的需求。

線陣相機：一般上只在兩種情況下使用這種相機：一、被測視野為細長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。二、需要極大的視野或極高的精度。在第二種情況下（需要極大的視野或極高的精度），就需要用激發裝置多次激發相機，進行多次拍照，再將所拍下的多幅“條”形圖象，合并成一張巨大的圖。因此，用線陣型相機，必須用可以支持線陣型相機的采集卡。線陣型相機價格貴，而且在大的視野或高的精度檢測情況下，其檢測速度也慢。由于以上這兩個原因，線陣相機只用在極特殊的情況下。主要應用于工業、醫療、科研與安全領域的圖象處理。一維像元數可以做得很多，而總像元素較面陣相機少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數高，特別適用于一維動態目標的測量。而且線陣分辨率高，價格低廉，可滿足大多數測量現場要求。圖像獲取時間長，測量效率低；由于掃描運動及相應的位置反饋環節的存在，增加了系統復雜性和成本；圖像精度可能受掃描運動精度的影響而降低，最終影響測量精度。

????????線陣圖像傳感器適用于對低速運動物體的推掃成像，當物體與傳感器相對運動速度較高時，等效曝光時間會相應縮短，從而造成圖像信噪比的降低，由此引起的性能惡化，在光線條件較暗的環境下像素收集的光信號更少，使得SNR 和光響應靈敏度很低，性能惡化尤為明顯。為了彌補線陣圖像傳感器在高速低光照應用環境下的不足，一種時間延時積分(Time-Delay Integration, TDI)型圖像傳感器被研發出來。這種傳感器具有面陣形式的像素陣列，同時可實現推掃成像的功能。面陣中每一行像素都相當于一個線陣型圖像傳感器，這些位于不同行的像素可以在不同時間內對同一物體進行拍攝，并將對應的輸出信號進行累加，這就等效的延長了傳感器對物體的曝光時間，因此可以提高圖像的信噪比。

二、TDI CMOS傳感器

1、概述

????????時間延遲積分（Time-Delay Integration, TDI）技術是一種特殊的成像模式，至今已應用幾十年，但大多應用于二維CCD 圖像傳感器，因為CCD 器件采用多電源對光生電子進行電荷轉移，能夠達到非常低的噪聲的光信息疊加，很長一段時間內被TDI 技術視為的最理想的載體器件。但由于CCD 器件集成困難、功率損耗大、工藝的不兼容性導致的成本高等問題的存在，因此，現在在很多領域應用的TDI 型傳感器中的CCD器件已逐漸被CMOS 型取代，使TDI 型CIS （CMOS Image Sensor）成為現在各個應用領域研究的重點。

????????TDI 型CIS 是針對一般線陣圖像傳感器中存在物體與傳感器相對移動速度受限導致性能很難提高的問題而設計的。TDI 型CIS 以面陣的存在形式進行線陣的工作方式，對同一物體滾動掃描進行多次重復曝光，等效增加了對物體的積分時間，并將得到的轉換電壓信號值進行累加。同時累加時電壓信號和噪聲信號不同的倍增系數可以實現低照度條件下的高信噪比、高靈敏度成像。

????????TDI工作方式是將一維的線陣圖像傳感器擴展為二維面陣，沿著圖像傳感器移動方向擴展成多行像素，使得沿傳感器移動方向排列的一列像素能夠對同一物體進行重復光積分，并將積分的結果通過累加器進行電信號的累加以獲得較大的SNR（相當于多幀平均，詳見CMOS圖像傳感器——提升圖像信噪比），從而增強信號的輸出強度。

????????TDI 工作方式下的像素陣列類似于面陣圖像傳感器，但成像方式卻是線陣掃描。它的列數等效為線陣的長度，行數為延遲積分的級數，也就是同一物體光信息的累加次數。

????????在空間探測、航空航天影像、物體測量等重要領域都有非常重大的應用價值。由于其主要應用于低照度條件下圖像的獲取，因此要求其具有大的感光面積以獲得足夠的光信息，導致大尺寸像素電荷轉移困難的問題。同時低照度條件下要求像素暗電流足夠小，避免淹沒有用的光信息，減小噪聲對圖像質量的影響。

????????TDI型CMOS 圖像傳感器，由于TDI 的累加特性，信號與噪聲得以累加不同的倍數，傳感器的信噪比大大增加，可以更好的應用于暗光領域，例如外太空、深海、夜視等。TDI 型圖像傳感器正成為衛星遙感、深海測量、醫療X 射線成像、工業控制、安全等領域的理想探測器件。因此TDI 型CMOS圖像傳感器有著極高的研究價值與應用潛力。

2、工作原理

????????在TDI型圖像傳感器中，像素各行的輸出信號并不是直接讀出，而是需要按照一定規則累加并存放在累加器中。累加可以在模擬域或數字域進行,模擬累加器的存儲單元是電容陣列，以保存模擬電壓信號，數字累加器的存儲單元是寄存器陣列，以保存數字信號。無論采用哪種類型的累加方法，其基本過程都是類似的。

????????TDI 型CMOS 圖像傳感器簡要工作原理如下：第一行像素在第一個積分周期內收集到的光生信號不直接輸出，而是與第二行像素在第二個積分周期內收集到的光生信號相加，依次類推，逐行累加后，將累加N次的信號進行輸出，因此等效為對同一目標連續曝光N 次，等效曝光時間被擴大了N倍，大大提升了在暗光下的圖像成像質量。

? ? ? ? 下面以四級TDI CMOS 圖像傳感器為例，簡述其工作原理。

????????對于抽象物體A、B、C、D，假定像素陣列Pixel1、Pixel2、Pixel3、Pixel4 固定不動，ABCD 自右向左移動。在第一個積分時間內，Pixel1 對物體A 進行曝光，并將其信號值送入累加器Add1 中；在第二個積分時間內，Pixel1 對物體B 進行曝光，并將其信號值送入累加器Add2 中，Pixel2 對物體A 進行曝光，并將其信號值送入累加器Add1 中。這樣Add1 中保存了兩次物體A 的信息2A，Add2 中保存了一次物體B 的信息B；在第三個積分時間內，Pixel1 對物體C 進行曝光，并將其信號值送入累加器Add3 中，Pixel2對物體B 進行曝光，并將其信號值送入累加器Add2 中，Pixel3 對物體A 進行曝光，并將其信號值送入累加器Add1 中。這樣Add1 中保存了三次物體A 的信息3A，Add2 中保存了兩次物體B 的信息2B，Add3 中保存了一次物體C 的信息C。以此類推最終Add1、Add2、Add3、Add4 四個累加器中分別保存了抽象物體A、B、C、D 四次曝光的信號值，完成了信號的累加。

3、曝光方式

????????與普通面陣圖像傳感器一樣,TDI型CMOS圖像傳感器可采用的曝光方式有兩種:全局曝光（Global Shutter）模式和滾筒式（Rolling Shutter）曝光模式。不管采用哪種模式，需要考慮的一個主要問題都是信號累加的同步性，即在一個累加器的同一累加周期內（累加器的兩次復位信號之間）進行累加的各個信號，必須對應于不同行像素對同一被攝物體進行的曝光。如果累加發生在對不同物體曝光的信號之間，就會導致圖像的銳度降低，甚至無法成像。

????????全局曝光方式比較容易實現累加的同步性，由于其陣列中各行像素都是同時開始和結束曝光，只需將像素的曝光時間調整到TDI傳感器系統要求的渡越時間，就可以滿足累加的同步性要求。全局曝光的時序如下圖所示，圖中向右的三角符號表示該時刻需要對像素進行讀出操作(不同于滾筒式曝光中的信號讀出)。

????????以4級TDI型CMOS圖像傳感器為例,像素各行均在相同時刻開始曝光，在經過渡越時間之后同時結束曝光。由于列總線每次只能傳遞一行像素的信號，各行像素的輸出信號首先被同時“讀出”到各自的存儲單元中，之后再通過列總線被依次讀出至相應的累加器。圖中的讀出符號對應于第一次讀出操作，該操作決定了上一次曝光的結束和下一次曝光的開始。

????????對于滾筒式曝光方式，各行像素的輸出信號依次通過列總線直接讀出至累加器，因此不需要額外的存儲單元。為了保證累加的同步性，相鄰兩行像素對同一物體的曝光間隔應為渡越時間。由圖示可知，像素的曝光時間小于渡越時間，兩者相差一個像素的讀出時間?。

????????如果從累加同步性的角度考慮，全局曝光的方式比較適合TDI型圖像傳感器。各行像素同時開始和停止曝光，像素的曝光時間與渡越時間相等。對于滾筒式曝光，像素的曝光時間小于渡越時間。由于像素的曝光是連續進行的，即一次曝光周期的結束也是下一次曝光周期的開始,因此一個渡越時間跨越了兩個曝光周期,這在一定程度上加大了相鄰兩行像素的曝光重疊區域，會對成像銳度造成影響。
??????若采用全局曝光方式,則要求像素單元內含有一個存儲節點，與這種曝光方式相適應的像素結構為5T像素。但使用5T像素進行全局曝光的工作方式也存在著一些缺點:

• 像素填充因子低
• 暗電流水平高
• 復位噪聲水平高

????????滾筒曝光方式與4T像素的讀出時序相兼容，4T像素具有諸如低暗電流，低噪聲和高靈敏度等優點,這對保證成像質量至關重要。上文提及滾筒式曝光方式存在著相鄰像素曝光重疊的問題，在時間域考慮，曝光重疊所對應的時間等于像素的行選時間。如果通過優化4T像素的設計縮短電荷轉移所需的時間，就可以將行選時間控制在較短的范圍，其影響基本可以忽略。

? ? ? ? 因此，可以根據場景進行曝光方式及像素的選擇。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的CMOS图像传感器——TDI CIS的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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