JP5809492B2 - Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) time-delay integration (TDI) sensor for X-ray imaging applications - Google Patents
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Description
本発明は、概して言えば固体イメージセンサの分野に関するものであって、特にX線イメージスキャンアプリケーションに用いる相補型金属酸化膜半導体(CMOS)時間遅延積分(TDI)方式センサに関するものである。 The present invention relates generally to the field of solid state image sensors, and more particularly to complementary metal oxide semiconductor (CMOS) time delay integration (TDI) sensors for use in X-ray image scan applications.
本発明は、高速X線イメージスキャンアプリケーションに適用される時間遅延積分(TDI)方式相補型金属酸化膜半導体(CMOS)リニアイメージセンサに関するものである。時間遅延積分(TDI)イメージセンサは、高速ラインスキャンアプリケーションに使用されるとき、その積分入力光信号は非常に低い。通常のラインスキャンアプリケーションにおいては、積分入力光信号を増加させる一つの方法はスキャン速度を下げることであり、これは積分時間を増加させることになる。この時間遅延積分(TDI)センサは、スキャンスピードを犠牲にすることなくラインスキャン検出器システムの光信号を増加させる。この時間遅延積分(TDI)センサは通常、たとえば電荷結合素子(CCD)のような電荷転送素子を使用することで実行される。 The present invention relates to a time delay integration (TDI) type complementary metal oxide semiconductor (CMOS) linear image sensor applied to high-speed X-ray image scanning applications. Time delay integration (TDI) image sensors have very low integrated input optical signals when used in high speed line scan applications. In normal line scan applications, one way to increase the integrated input optical signal is to decrease the scan speed, which increases the integration time. This time delay integration (TDI) sensor increases the optical signal of the line scan detector system without sacrificing scan speed. This time delay integration (TDI) sensor is typically implemented using a charge transfer device such as a charge coupled device (CCD).
電荷結合素子(CCD)時間遅延積分(TDI)アレイにおいては、各検出器の画素はN段の時間遅延積分(TDI)のロケーションを含む。たとえば、M画素のリニアディテクタについては、二次元M×N段の電荷結合素子(CCD)アレイを含み、各画素がN段の電荷結合素子(CCD)は走査方向と平行である。この第一段の電荷結合素子(CCD)の操作中は、1線時間(Line Time)の間に相当する積分時間に光信号を積分する。
この信号電荷は電荷結合素子(CCD)の第一段から第二段に移動し、スキャンされるオブジェクトも、信号電荷の移動と同期して、電荷結合素子(CCD)の第一段から第二段に移動する。この第二段電荷結合素子(CCD)は、同じオブジェクトに対し第二積分時間の間に信号電荷を積分する。このため、積分時間終了時には、この第二段電荷結合素子(CCD)の信号電荷は、第一段から受けた信号電荷の2倍になる。
続いて、第二段電荷結合素子(CCD)の信号電荷はオブジェクトの移動と同期して第三段へ移動する。この第三段電荷結合素子(CCD)は第二段から信号を受信する以外に、再度光信号を積分する。この過程を繰り返し、最後のN段電荷結合素子(CCD)に到達したとき、光信号はN倍に増大する。そして、出力電荷結合素子(CCD)シフトレジスタを利用して、順にM画素の信号を読み出す。
In a charge coupled device (CCD) time delay integration (TDI) array, each detector pixel contains N stages of time delay integration (TDI) locations. For example, an M-pixel linear detector includes a two-dimensional M × N stage charge coupled device (CCD) array, and each pixel has N stages of charge coupled devices (CCD) parallel to the scanning direction. During the operation of the first stage charge coupled device (CCD), the optical signal is integrated in an integration time corresponding to one line time (Line Time).
This signal charge moves from the first stage of the charge coupled device (CCD) to the second stage, and the object to be scanned also moves from the first stage of the charge coupled device (CCD) to the second stage in synchronization with the movement of the signal charge. Move to the stage. This second stage charge coupled device (CCD) integrates signal charge for the same object during a second integration time. Therefore, at the end of the integration time, the signal charge of the second stage charge coupled device (CCD) is twice the signal charge received from the first stage.
Subsequently, the signal charge of the second stage charge coupled device (CCD) moves to the third stage in synchronization with the movement of the object. In addition to receiving the signal from the second stage, the third stage charge coupled device (CCD) integrates the optical signal again. When this process is repeated and the final N-stage charge coupled device (CCD) is reached, the optical signal increases N times. Then, signals of M pixels are sequentially read using an output charge coupled device (CCD) shift register.
この電荷結合素子(CCD)時間遅延積分(TDI)イメージングシステムは、たとえばコンピュータ断層撮影(CTスキャン)や歯科用パノラマ断層撮影などの可視高速工業検査用アプリケーションと医療用X線スキャンアプリケーションに広く使用されているが、X線工業検査用アプリケーションは確かに欠点を有する。
X線工業検査システムにおいては、通常、この検出器の画素サイズは普通の電荷結合素子(CCD)センサの画素サイズと比べて相当大きい。この種のアプリケーションでは、必要とされる画素サイズの範囲は数ミリメートルから数十ミリメートルである。画素サイズが増加するとき、電荷結合素子(CCD)の走査速度は大幅に落ちるため、この種のアプリケーションには不適切である。
This charge coupled device (CCD) time delay integration (TDI) imaging system is widely used in visible high speed industrial inspection applications such as computed tomography (CT scan) and dental panoramic tomography and medical X-ray scanning applications. However, X-ray industrial inspection applications have certain drawbacks.
In an X-ray industrial inspection system, the pixel size of this detector is usually considerably larger than the pixel size of a normal charge coupled device (CCD) sensor. In this type of application, the required pixel size range is from a few millimeters to tens of millimeters. As the pixel size increases, the charge-coupled device (CCD) scan speed drops significantly, making it unsuitable for this type of application.
この電荷結合素子(CCD)時間遅延積分(TDI)イメージングシステムの2つ目の欠点は、X線放射線により非常にダメージを受けやすいところにある。医療用X線スキャンアプリケーションにおいては、使用されるX線エネルギーと用量は通常、工業用検査アプリケーションよりかなり低い。医療用アプリケーションにおいては、X線量は米国連邦食品医薬品局(FDA)により規制されているだけでなく、人間の軟組織のせいでそのエネルギー量は通常100K電子ボルト(ev)より低い。工業用アプリケーションについては、必要とされる検査材料の種類に応じて決められており、使用されるエネルギー量の範囲は50K電子ボルトから15M電子ボルトである。工業検査用システムにおいては、X線量の規制はないので、使用される線量は医療用スキャンシステムに用いられる線量よりかなり高い。X線の下での電荷結合素子(CCD)センサの放射線被爆の累積はその暗電流を増加させ、その井戸型電位を移動させるので、その使用可能年数が減少することがある。 A second drawback of this charge coupled device (CCD) time delay integration (TDI) imaging system is that it is very susceptible to damage by X-ray radiation. In medical x-ray scanning applications, the x-ray energy and dose used are typically much lower than industrial inspection applications. In medical applications, the X-ray dose is not only regulated by the US Food and Drug Administration (FDA), but because of human soft tissue, the amount of energy is usually lower than 100K electron volts (ev). For industrial applications, it is determined according to the type of test material required, and the range of energy used is from 50K eV to 15M eV. In industrial inspection systems, there is no regulation of X-ray dose, so the dose used is much higher than the dose used for medical scan systems. Accumulation of radiation exposure of charge-coupled device (CCD) sensors under x-rays increases its dark current and shifts its well-type potential, which may reduce its usable life.
本発明の目的は、X線工業検査システムにおける電荷結合素子(CCD)検出器の欠点を軽減できる相補型金属酸化膜半導体(CMOS)検出器システムの実施にある。電荷領域における信号電荷は1つの相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路からもう1つの相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路へ移動することはないので、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路を使用して時間遅延積分(TDI)センサを実行するのはより難しい。 It is an object of the present invention to implement a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) detector system that can alleviate the drawbacks of charge coupled device (CCD) detectors in X-ray industrial inspection systems. Signal charges in the charge region do not move from one complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit to another complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit, so a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit It is more difficult to implement a time delay integration (TDI) sensor using
したがって、本発明の目的は、標準の相補型金属酸化膜半導体(CMOS)製造プロセスを使用して実施できる時間遅延積分(TDI)イメージセンサ構造を提供することにある。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a time delay integration (TDI) image sensor structure that can be implemented using standard complementary metal oxide semiconductor (CMOS) fabrication processes.
本発明のもう1つの目的は、たとえばX線工業検査システムのような画素間の距離がより大きいシステムへの使用に適しており、読み出し速度を犠牲にしない時間遅延積分(TDI)イメージセンサ検出器システムを提供することにある。 Another object of the present invention is a time delay integration (TDI) image sensor detector that is suitable for use in systems with greater pixel-to-pixel distances, such as X-ray industrial inspection systems, without sacrificing readout speed. To provide a system.
本発明の更なる目的は、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路をフォトダイオード検出器と分けることができ、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路を容易に遮蔽してX線放射線によるダメージを回避できる時間遅延積分(TDI)検出システムを提供することにある。 A further object of the present invention is to allow complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits to be separated from photodiode detectors so that the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits can be easily shielded and damaged by X-ray radiation. Is to provide a time delay integration (TDI) detection system.
本発明は、フォトダイオードを検出器として使用して入力光信号を統合する。各時間遅延積分(TDI)ステージ(段数)は、フォトダイオード検出器、複数の増幅器、複数の蓄積キャパシタ、および複数のスイッチを含む。各フォトダイオードは、積分増幅器、加算回路、および複数の蓄積回路に接続する。この積分加算機能は、単一または複数の増幅器において実行することができる。この蓄積回路は蓄積キャパシタと緩衝増幅器を使用して実行する。
相関二重サンプルホールド(CDS)技術を用いてフォト信号とリセット電圧を同時にホールドする。相関二重サンプルホールド(CDS)フォト信号(信号とリセット)電圧を次の時間遅延積分(TDI)ステージに伝送して加算に用い、オフセットノイズが累積することはない。序列中の次の時間遅延積分(TDI)ステージは1積分時間(線時間)の間にフォト信号を積分するだけでなく、前の時間遅延積分(TDI)ステージから蓄積された相関二重サンプルホールド(CDS)電圧を受ける。加算回路は電流と前の時間遅延積分(TDI)ステージの相関二重サンプルホールド(CDS)フォト信号を組み合わせ、この新しい相関二重サンプルホールド(CDS)電圧を蓄積回路に出力する。蓄積された相関二重サンプルホールド(CDS)電圧は次の時間遅延積分(TDI)ステージへ伝送される。
この過程を最後の時間遅延積分(TDI)ステージに到達するまで繰り返すことで、差動増幅器は相関二重サンプルホールド(CDS)信号を読み出す。通常は、標準相補型金属酸化膜半導体(CMOS)リニアフォトダイオードアレイ(PDA)に類似するデジタルスキャンシフトレジスタに使用して読み出しを実行する。この時間遅延積分(TDI)機能の操作は、電荷積分、加算、および相関二重サンプルホールド(CDS)信号の蓄積と転送を含み、この操作は複数の制御スイッチと1組のタイミング信号によって制御される。
The present invention integrates an input optical signal using a photodiode as a detector. Each time delay integration (TDI) stage (number of stages) includes a photodiode detector, a plurality of amplifiers, a plurality of storage capacitors, and a plurality of switches. Each photodiode is connected to an integrating amplifier, an adder circuit, and a plurality of storage circuits. This integral sum function can be performed in single or multiple amplifiers. This storage circuit is implemented using a storage capacitor and a buffer amplifier.
The photo signal and reset voltage are simultaneously held using correlated double sample and hold (CDS) technology. A correlated double sample and hold (CDS) photo signal (signal and reset) voltage is transmitted to the next time delay integration (TDI) stage for addition and no offset noise accumulates. The next time delay integration (TDI) stage in the sequence not only integrates the photo signal during one integration time (line time), but also the correlated double sample hold accumulated from the previous time delay integration (TDI) stage. (CDS) voltage is received. The summing circuit combines the current and the correlated double sample and hold (CDS) photo signal of the previous time delay integration (TDI) stage and outputs this new correlated double sample and hold (CDS) voltage to the storage circuit. The accumulated correlated double sample and hold (CDS) voltage is transmitted to the next time delay integration (TDI) stage.
By repeating this process until the final time delay integration (TDI) stage is reached, the differential amplifier reads the correlated double sample and hold (CDS) signal. Typically, reading is performed using a digital scan shift register similar to a standard complementary metal oxide semiconductor (CMOS) linear photodiode array (PDA). The operation of this time delay integration (TDI) function includes charge integration, addition, and accumulation and transfer of correlated double sample and hold (CDS) signals, which are controlled by multiple control switches and a set of timing signals. The
相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路を使用して時間遅延積分(TDI)センサを実行する本発明の利点は多数ある。まず、標準的な商業用相補型金属酸化膜半導体(CMOS)製造プロセスを用いれば、増幅器やタイミング発生器やドライバといったあらゆる周辺機器はフォトダイオードと統合できる。次に、たとえば0.8ミリメートルから数ミリメートル画素サイズのような大きい画素サイズの検出器で実施できる。
これは、たとえばカーゴコンテナや石油輸送管の検査のような、必要な画素サイズが大きいX線スキャンアプリケーションに特に有益である。電荷結合素子(CCD)がより小さい画素サイズでの稼動に優れていることはよく知られている。画素サイズが大きくなったとき、電荷結合素子(CCD)の速度は大幅に低下する。このため、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)時間遅延積分(TDI)センサはX線工業用スキャンアプリケーションへの使用に適している。
3つめに、電荷結合素子(CCD)と相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路はX線放射線によるダメージを受け易いことはよく知られている。この相補型金属酸化膜半導体(CMOS)実行中は、周辺回路はフォトダイオードアレイと同じチップ上で統合されるが、フォトダイオード検出器は十分な間隔または隙間を有している。したがって、周辺回路は、鉛のような重金属で覆って遮蔽しX線放射線によるダメージを避けることが容易になる。
There are a number of advantages of the present invention for implementing a time delay integration (TDI) sensor using complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits. First, any peripheral device such as an amplifier, timing generator or driver can be integrated with a photodiode using standard commercial complementary metal oxide semiconductor (CMOS) manufacturing processes. It can then be implemented with large pixel size detectors, such as 0.8 millimeters to several millimeters pixel sizes.
This is particularly beneficial for X-ray scanning applications where the required pixel size is large, such as inspection of cargo containers or oil transport pipes. It is well known that charge coupled devices (CCDs) are excellent for operation with smaller pixel sizes. When the pixel size increases, the speed of the charge coupled device (CCD) decreases significantly. Thus, complementary metal oxide semiconductor (CMOS) time delay integration (TDI) sensors are suitable for use in X-ray industrial scan applications.
Third, it is well known that charge coupled devices (CCD) and complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits are susceptible to damage from X-ray radiation. During this complementary metal oxide semiconductor (CMOS) implementation, the peripheral circuits are integrated on the same chip as the photodiode array, but the photodiode detectors have sufficient spacing or gaps. Therefore, the peripheral circuit can be covered with a heavy metal such as lead and shielded to easily avoid damage caused by X-ray radiation.
相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路を使用して時間遅延積分(TDI)検出器システムを実行する利点は、標準的な相補型金属酸化膜半導体(CMOS)製造プロセスを用いれば、あらゆる操作時にクロックパルス発生器および信号処理回路を単一チップ上で統合できることである。これにより、製造コストを削減できる。 The advantage of implementing a time delay integration (TDI) detector system using a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit is that any standard complementary metal oxide semiconductor (CMOS) manufacturing process can be used during any operation. The clock pulse generator and the signal processing circuit can be integrated on a single chip. Thereby, manufacturing cost can be reduced.
相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路を使用してX線時間遅延積分(TDI)検出器システムを実行するもう1つの利点は、より大きな画素サイズで、また非常に速い走査速度で実行できることである。 Another advantage of implementing an X-ray time delay integration (TDI) detector system using complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuits is that it can be performed at larger pixel sizes and at very high scan rates. is there.
相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路を使用して時間遅延積分(TDI)検出器システムを実行する更なる利点は、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路とフォトダイオードを分けられることである。これにより、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)回路を適切に遮蔽してX線放射線によるダメージを回避できる。 A further advantage of using a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit to implement a time delay integration (TDI) detector system is that the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit and the photodiode can be separated. . Thereby, a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit can be appropriately shielded to avoid damage caused by X-ray radiation.
本発明の上述およびその他の目的と利点が、この技術を熟知する者にとって明らかになるよう、図面を参照しながら、現在知られる本発明の実施の最適な模式を説明する。 In order that the foregoing and other objects and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art, the best mode for carrying out the present invention will now be described with reference to the drawings.
図1から図4は本発明の好ましい実施例の説明である。図1は時間遅延積分(TDI)ステージ100の回路図を示している。図2はN段の時間遅延積分(TDI)ステージのリニアディテクタの画素の回路図を示す。M画素配列については、図2に示すように、M行の回路を含む。図3は最後の時間遅延積分(TDI)ステージで信号を読み出す際の相関二重サンプルホールド(CDS)差動増幅器のブロック図を示す。図4は時間遅延積分(TDI)センサ操作のタイミングチャートを示す。
1-4 illustrate a preferred embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a circuit diagram of a time delay integration (TDI)
図1に示すように、各時間遅延積分(TDI)ステージ100は、フォトダイオード101、加算キャパシタ102、積分加算増幅器103、および相関二重サンプルホールド(CDS)回路104を含む。この積分加算増幅器103は、増幅器A1、積分キャパシタC1、およびリセットスイッチSW1を含む。積分キャパシタC1とリセットスイッチSW1は増幅器A1の入力と出力端子の間を介して接続する。相関二重サンプルホールド(CDS)回路104は、2つの入力スイッチSW2およびSW3と、キャパシタC2および緩衝増幅器A2を含む第一蓄積回路と、転送スイッチSW4と、キャパシタC3と緩衝増幅器A3を含む第二蓄積回路と、キャパシタC4と緩衝増幅器A4を含む第三蓄積回路と、2つの出力スイッチSW5およびSW6を含む。
加算キャパシタ102を使用して前の各時間遅延積分(TDI)ステージからのリセットおよびフォト信号電圧を受ける。積分加算増幅器103を使用して、フォトダイオード101をリセットし、前の各時間遅延積分(TDI)ステージとそれ自体のフォトダイオード101のリセットおよびフォト信号電圧を積分かつ加算する。相関二重サンプルホールド(CDS)回路104を使用して、積分加算増幅器103出力からの組み合わせられたリセットおよびフォト信号電圧をサンプルホールドする。
As shown in FIG. 1, each time delay integration (TDI)
Summing
図2は、直列N段の個別時間遅延積分(TDI)回路を備える1行画素を示す。各個別の時間遅延積分(TDI)ステージは時間遅延積分(TDI)ステージ100の複製であり、異なるのは第一ステージ50と最終ステージ200である。時間遅延積分(TDI)第一ステージ50には前の段が無いので、加算キャパシタ52のプレートは接地される。最終ステージ200では、緩衝増幅器A3およびA4はより大きな駆動電気容量を備える緩衝増幅器205および206で代替し、図3が示すように、出力差動増幅器20のより大きな容量性負荷を駆動する。リセットおよびフォト信号の読み出しを便利にするために、この最終ステージ200の出力スイッチSW5およびSW6は1組のスイッチ207で代替する。スイッチ207はデジタルスキャンシフトレジスタ10からの出力を表すSMによって駆動する。スキャンシフトレジスタ10は標準のフォトダイオードアレイに類似したM段アレイの各画素を順に読み出す。各時間遅延積分(TDI)ステージが備えるスイッチSW1からSW6は、図4に示すように、同じクロックパルスによって駆動する。
FIG. 2 shows a single row pixel with N series discrete time delay integration (TDI) circuits. Each individual time delay integration (TDI) stage is a replica of the time delay integration (TDI)
図1を参照すると、操作中は、フォトダイオード101と積分加算増幅器103はフォト信号の積分プロセス開始前にスイッチSW1を閉じる(close)ことによってリセットする。同時に、スイッチSW2およびSW6もク閉じる。このスイッチSW6を閉じることで、キャパシタC4上に蓄積されたリセット電圧が次の時間遅延積分(TDI)ステージに転送される。このため、加算キャパシタ102を経由して、前の時間遅延積分(TDI)ステージのリセット電圧と増幅器103のリセと電圧が加算される。組み合わされたリセット電圧はスイッチSW2を経由してキャパシタC2上に蓄積される。
各時間遅延積分(TDI)ステージにおいて積分プロセスを開始するために、スイッチSW1を開き(open)、続いてスイッチSW2およびSW6を開く。図4のタイミングチャートが示すように、SW2とSW1を開く間には遅延が生じる(SW1はSW2より早く開く)。これは、キャパシタC2中でこのリセット電圧をサンプリングする前に、増幅器A1は設定を行うことを示している。
Referring to FIG. 1, during operation, the
To initiate the integration process at each time delay integration (TDI) stage, switch SW1 is opened, followed by switches SW2 and SW6. As shown in the timing chart of FIG. 4, there is a delay between opening SW2 and SW1 (SW1 opens earlier than SW2). This indicates that the amplifier A1 performs setting before sampling the reset voltage in the capacitor C2.
一旦積分プロセスが始まると、SW5は閉じ、キャパシタC3上に蓄積されたフォト信号は次の時間遅延積分(TDI)ステージに転送される。このため、加算キャパシタ102を経由して、前の時間遅延積分(TDI)ステージのフォト信号とフォトダイオード101からの現在の時間遅延積分(TDI)ステージのフォト信号は加算される。この積分サイクルが終了したとき、スイッチSW3は閉じ、組み合わされたフォト信号がサンプリングされ、キャパシタC3に蓄積される。スイッチSW3が開いた後、スイッチSW4は閉じ、C2上に蓄積されたリセット電圧はキャパシタC4に転送される。フォトダイオード101および増幅器A1を再度リセットし、次の積分サイクルを開始する。図2に示すように、このプロセスを最後の時間遅延積分(TDI)ステージ200に到達するまで繰り返す。
Once the integration process begins, SW5 is closed and the photo signal stored on capacitor C3 is transferred to the next time delay integration (TDI) stage. Therefore, the photo signal of the previous time delay integration (TDI) stage and the photo signal of the current time delay integration (TDI) stage from the
パルスSIのスタートによってスキャンシフトレジスタ10を開始し、標準フォトダイオードアレイに類似したM画素のリニアアレイから信号を順に読み出す。1つの画素がスキャンシフトレジスタ10の出力SMによってアドレスされたとき、この画素のリセットおよびフォト信号電圧は処理に用いられる相関二重サンプルホールド(CDS)出力差動増幅器20に転送される。利得段30を加えて信号レベルを増加することができる。こうして、図4に示すように、シングルエンドビデオ信号を獲得する。
The scan shift register 10 is started by the start of the pulse SI, and signals are sequentially read from a linear array of M pixels similar to a standard photodiode array. When a pixel is addressed by the output SM of the scan shift register 10, the reset and photo signal voltage of this pixel is transferred to a correlated double sample and hold (CDS)
図5に本発明のもう1つの好ましい実施例を示し、時間遅延積分(TDI)ステージについて説明する。この図1と図5の回路の唯一の差異は、図1中の積分加算増幅器103の機能は図5の積分増幅器60および加算増幅器70で代替する点にある。図1と図5の相関二重サンプルホールド(CDS)回路は同じである。積分増幅器60は、増幅器A1a、積分キャパシタC1a、およびリセットスイッチSW1aを含む。積分増幅器60の機能は、フォトダイオード101をリセットし、フォト信号を積分キャパシタC1a中で積分することである。加算増幅器70は、増幅器A1b、積分キャパシタC1b、およびリセットスイッチSW1bを含む。加算増幅器70の機能は、加算キャパシタ61を経由したフォトダイオード101のリセットおよびフォト電圧と加算キャパシタ62を経由して前の時間遅延積分(TDI)ステージから受けたリセットおよびフォト電圧を加算することである。
FIG. 5 illustrates another preferred embodiment of the present invention and describes a time delay integration (TDI) stage. The only difference between the circuits of FIG. 1 and FIG. 5 is that the function of the integrating summing
相関二重サンプルホールド(CDS)回路104はその後、上記に説明したのと同じサンプルホールド機能を実行する。図4のタイミング図は、積分機能と加算機能を分けるよう、わずかな修正を加える必要がある。
The correlated double sample and hold (CDS)
図1および図4が示すように、相関二重サンプルホールド(CDS)回路104は2つの平行した独立蓄積回路を使用し、リセット信号およびフォト信号を伝送する。代替方法として、チェーン(Chain)蓄積回路を使用でき、このリセット信号およびフォト信号はこのチェーンを経由して1回に1つずつ伝送される。単一チェーン蓄積回路を使用する利点は、リセット電圧とフォト信号が緩衝増幅器によって生じた同じオフセットを有することにある。このため、その後の時間遅延積分(TDI)ステージによってこのオフセットが完全に取り除ける。
As shown in FIGS. 1 and 4, the correlated double sample and hold (CDS)
本発明はもう1つの好ましい実施例を有し、図1に示す時間遅延積分(TDI)ステージは図6に示す時系列で代替して操作できる。この操作モードでは、相関二重サンプルホールド(CDS)回路104に蓄積されたリセット信号およびフォト信号とフォトダイオード101のフォト信号を加算する前に、まずこのリセット信号とフォト信号の間の差異を取得することができる。そして、累積フォト信号をキャパシタC3中でサンプルホールドでき、フォトダイオード101のリセット信号もキャパシタC2中でサンプルホールドでき、前の時間遅延積分(TDI)ステージのリセット信号とは組み合わせない。この図4および図6のタイミングチャートによって表された2種類の操作モードによって本発明の利点が維持される。
The present invention has another preferred embodiment, and the time delay integration (TDI) stage shown in FIG. 1 can be alternatively operated in the time series shown in FIG. In this operation mode, the difference between the reset signal and the photo signal is first acquired before adding the reset signal and the photo signal accumulated in the correlated double sample and hold (CDS)
同様に、図6が表す新たな操作モードも、わずかなタイミングの修正を加えて、図5の時間遅延積分(TDI)回路に応用することで、積分と加算機能を分けるのが便利になる。 Similarly, the new operation mode shown in FIG. 6 can be applied to the time delay integration (TDI) circuit of FIG. 5 with slight timing correction, so that it is convenient to separate the integration and addition functions.
以上に説明した好ましい実施例は本発明の例に過ぎず、本発明から様々な変化を導き出すことができる。 The preferred embodiments described above are merely examples of the present invention, and various changes can be derived from the present invention.
20 積分増幅器
30 利得段
50 第一ステージ
52 加算キャパシタ
60 積分増幅器
61 加算キャパシタ
62 加算キャパシタ
70 加算キャパシタ
100 TDIステージ
101 フォトダイオード
102 加算キャパシタ
103 積分加算増幅器
104 相関二重サンプルホールド(CDS)回路
200 最終ステージ
205 緩衝増幅器
206 緩衝増幅器
207 スイッチ
20 integrating
Claims (24)
前記積分加算増幅器の前記積分入力端子に接続する光検出器と、
第一電極が前の時間遅延積分(TDI)ステージの出力に接続し、第二電極が前記積分加算増幅器の前記加算入力端子に接続する加算キャパシタと、
複数のスイッチおよび複数の蓄積回路を含み、前記積分加算増幅器の前記出力端子に接続する入力端子を備え、その後の時間遅延積分(TDI)ステージの前記加算キャパシタに接続する出力端子を備える相関二重サンプルホールド(CDS)回路と、
を含み、
まず、前記リセットスイッチを閉じて、前記積分加算増幅器をリセットし、前記リセットスイッチがその後開いたとき、前記光検出器のリセット信号と前記前の時間遅延積分(TDI)ステージの相関二重サンプルホールド(CDS)回路内に蓄積されたリセット信号は加算され、かつ前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路によってただちにサンプルホールドされ、
その後前記積分加算増幅器は前記光検出器のフォト信号の積分を開始し、
同時に前記光検出器の積分フォト信号と前記前の時間遅延積分(TDI)ステージの前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路内に蓄積された前記フォト信号は加算されて1つの組み合わさったフォト信号となり、前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路によってサンプルホールドされ、
前記組み合わさったフォト信号と前記リセット信号は前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路内にホールドされ、以後の前記時間遅延積分(TDI)ステージに伝送されるために準備される、
ことを特徴とする、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)時間遅延積分(TDI)方式センサ。 An integration input amplifier comprising an integration input terminal, an addition input terminal that can be joined to or separated from the integration input terminal, an output terminal, an integration capacitor, and a reset switch;
A photodetector connected to the integral input terminal of the integral summing amplifier;
A summing capacitor having a first electrode connected to the output of a previous time delay integration (TDI) stage and a second electrode connected to the summing input terminal of the integrating summing amplifier;
A correlated duplex comprising a plurality of switches and a plurality of storage circuits, comprising an input terminal connected to the output terminal of the integrating summing amplifier and an output terminal connected to the summing capacitor of a subsequent time delay integration (TDI) stage A sample hold (CDS) circuit;
Including
First, the reset switch is closed to reset the integrating summing amplifier, and when the reset switch is subsequently opened, the photodetector reset signal and correlated double sample hold of the previous time delay integration (TDI) stage The reset signal accumulated in the (CDS) circuit is added and immediately sampled and held by the correlated double sample and hold (CDS) circuit,
Thereafter, the integrating summing amplifier starts integration of the photo signal of the photodetector,
At the same time, the integrated photo signal of the photodetector and the photo signal stored in the correlated double sample and hold (CDS) circuit of the previous time delay integration (TDI) stage are added together to form one combined photo signal. And sampled and held by the correlated double sample and hold (CDS) circuit,
The combined photo signal and the reset signal are held in the correlated double sample and hold (CDS) circuit and prepared for transmission to the subsequent time delay integration (TDI) stage;
A complementary metal oxide semiconductor (CMOS) time delay integration (TDI) sensor.
前記積分加算増幅器の前記積分入力端子に接続する光検出器と、
第一電極が前の時間遅延積分(TDI)ステージの出力に接続し、第二電極が前記積分加算増幅器の前記加算入力端子に接続する加算キャパシタと、
複数のスイッチおよび複数の蓄積回路を含み、前記積分加算増幅器の前記出力端子に接続する入力端子を備え、その後の時間遅延積分(TDI)ステージの前記加算キャパシタに接続する出力端子を備える相関二重サンプルホールド(CDS)回路と、
を含み、
まず、前記リセットスイッチを閉じて、前記積分加算増幅器をリセットし、前記リセットスイッチがその後開いたとき、前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路によってリセット信号が生成されサンプルホールドされ、
その後前記積分加算増幅器は前記光検出器のフォト信号の積分を開始し、累積信号を生成し、その累積信号は前記光検出器の積分フォト信号が前記前の時間遅延積分(TDI)ステージの前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路においてサンプルホールドされたものであり、前記前の時間遅延積分(TDI)ステージの前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路においてホールドされたリセット信号との差異の総和であり、前記累積信号は前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路によってサンプルホールドされ、
前記累積信号と前記リセット信号は前記相関二重サンプルホールド(CDS)回路内にホールドされ、以後の前記時間遅延積分(TDI)ステージに伝送されるために準備される、
ことを特徴とする、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)時間遅延積分(TDI)方式センサ。 An integration input amplifier comprising an integration input terminal, an addition input terminal that can be joined to or separated from the integration input terminal, an output terminal, an integration capacitor, and a reset switch;
A photodetector connected to the integral input terminal of the integral summing amplifier;
A summing capacitor having a first electrode connected to the output of a previous time delay integration (TDI) stage and a second electrode connected to the summing input terminal of the integrating summing amplifier;
A correlated duplex comprising a plurality of switches and a plurality of storage circuits, comprising an input terminal connected to the output terminal of the integrating summing amplifier and an output terminal connected to the summing capacitor of a subsequent time delay integration (TDI) stage A sample hold (CDS) circuit;
Including
First, the reset switch is closed to reset the integrating summing amplifier, and when the reset switch is subsequently opened, a reset signal is generated and sampled and held by the correlated double sample and hold (CDS) circuit,
The integrating summing amplifier then initiates integration of the photo signal of the photodetector and generates a cumulative signal, which is the integrated photo signal of the photo detector when the integrated photo signal of the previous time delay integration (TDI) stage. The sum of the difference from the reset signal that was sampled and held in the correlated double sample and hold (CDS) circuit and held in the correlated double sample and hold (CDS) circuit of the previous time delay integration (TDI) stage The accumulated signal is sampled and held by the correlated double sample and hold (CDS) circuit;
The accumulated signal and the reset signal are held in the correlated double sample and hold (CDS) circuit and prepared for transmission to a subsequent time delay integration (TDI) stage;
A complementary metal oxide semiconductor (CMOS) time delay integration (TDI) sensor.
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