微光CMOS图像传感器读出电路研究

高性能的信号读出电路是微光CMOS图像传感器的重要组成部分,如何降低读出电路噪声,提高读出电路输出信号的信噪比成为读出电路设计的重点。本文设计了一种高增益低噪声的电容反馈跨阻放大器CTIA(Capacitive Trans impedance Amplifier)与相关双采样电路CDS(Correlated Double Sampling)相结合的微光探测器读出电路。在CTIA电路中,采用T网络电容实现f F级的积分电容,并通过增益开关控制,来达到对微弱光信号的高增益低噪声读出。采用CSMC公司的0.5μm标准CMOS工艺库对电路进行流片,测试结果表明:在光电流信号为20~300 p A范围内,积分时间为20μs,该电路功能良好,信噪比(SNR)达到10,能应用于微光CMOS图像传感器。

应用于微光CMOS图像传感器行车记录仪的快速权重均值自动曝光算法

为解决传统行车记录仪后路流媒体摄像头所拍摄的画面质量严重受到机动车后方光照强度制约的问题,采用微光CMOS图像传感器设计像素电路,并开发权重均值曝光算法和快速自动曝光控制算法,使每个栅格像素积分时间不同。试验显示,暗光情况下,快速自动曝光控制算法在速度上有很大提升,且误差较小;与未更改曝光时间的低照度CMOS图像传感器行车记录仪相比,在后车开启远光灯及汽车后方光线环境复杂的情况下,采用微光CMOS图像传感器快速权重均值自动曝光算法的行车记录仪能达到或接近人眼所见的真实视觉效果。

面向高帧率CMOS图像传感器的12位列级全差分SAR/SS ADC设计

针对高帧率CMOS图像传感器的应用需求,提出一种结合逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)和单斜坡(Single Slope,SS)结构的混合型模拟数字转换器(Analog to Digital Converter,ADC)。该ADC的分辨率为12位,其中SAR ADC实现高6位量化,SS ADC实现低6位量化。该ADC采用了全差分结构消除采样开关的固定失调并减少非线性误差,同时在SAR ADC中采用了异步逻辑电路进一步缩短转换周期。采用110 nm 1P4M CMOS工艺对该电路进行了设计和版图实现,后仿真结果表明,在20 MHz的时钟下,转换周期仅为3.3μs,无杂散动态范围为77.12 dB,信噪失真比为67.38 dB,有效位数为10.90位。

高速大像素CMOS图像传感器中钳位光电二极管形状设计的研究进展

采用钳位光电二极管(PPD)的CMOS图像传感器,由于其优异的性能,已成为图像传感领域中占主导地位的技术。然而,更大尺寸PPD的应用在电荷传输速度和效率方面存在挑战,特别是在微光、高速探测的场景中,传统的像素设计难以满足必要的性能标准。一种有效的方法是通过PPD的形状设计来提升大像素性能。首先全面概述了产生PPD横向电场的两种机制:边缘电场设计和钳位电压调制,并探讨了基于这两种设计策略的各种设计改进。然后总结了传输栅-浮空扩散(TG-FD)节点收集结构及像素整体布局优化的相关研究进展。此外,还研究了PPD的形状设计对暗电流的影响。通过全面分析PPD形状设计中采用的方法,为提升大像素设计提供了参考。

基于粗细量化并行与TDC混合的CMOS图像传感器列级ADC设计方法

针对传统单斜式模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和串行两步式ADC在面向大面阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器读出过程中的速度瓶颈问题,本文提出了一种用于高速CMOS图像传感器的全并行ADC设计方法.该方法基于时间共享和时间压缩思想,将细量化时间提前到粗量化时间段内,解决了传统方法的时间冗余问题;同时采用插入式时间差值TDC(Time-to-Digital Converter),实现了全局低频时钟下的快速转换机制.本文基于55-nm 1P4M CMOS工艺对所提方法完成了详细电路设计和全面测试验证,在模拟电压3.3 V,数字电压1.2 V,时钟频率250 MHz,输入电压1.2~2.7 V的情况下,将行时间压缩至825 ns,ADC的微分非线性和积分非线性分别为+0.6/-0.6LSB和+1.6/-1.2LSB,信噪失真比(Signal-to-Noise-and-DistortionRatio,SNDR)为68.271 dB,有效位数(Effective Numbers Of Bits,ENOB)达到11.0489 bit,列不一致性低于0.05%.相比现有的先进ADC,本文提出的方法在保证低功耗、高精度的同时,ADC转换速率提高了87.1%以上,为高速高精度CMOS图像传感器的读出与量化提供了一定的理论支撑.

基于CMOS图像传感器的复合型中子照相电子学系统的研制

针对高能物理实验中高通量、高性能的中子探测需求,本文提出了一种基于CMOS图像传感器的复合型中子照相电子学系统。该系统采用Kintex-7系列的FPGA作为系统逻辑处理的核心器件,利用SiPM的快响应为CMOS图像传感器提供快门触发,使其对光纤光锥投影的中子光斑进行曝光。通过SiPM提供的粗位置信息确定CMOS传感器的感兴趣区域,读出数据传输至上位机进行显示与分析。实验结果表明,该系统中最小像素单元尺寸为28μm×28μm的CMOS传感器能够对孔径为200μm的小孔进行成像,最大偏移为28μm,系统最高计数率为82 kHz,可实现高效率的中子探测。

用于微光CMOS图像传感器的相关多采样技术

为了提高用于低噪声CMOS图像传感器的单斜模数转换器(SS ADC)的量化速度,提出一种基于SS ADC的根据输入光强确定采样次数的相关多次采样(CMS)技术。利用数字模拟转换器(DAC)输出信号的差分特性,根据输入电压大小,分别按照不同的方式选择正/负斜坡输入到比较器中。当输入电压信号较小时,控制斜坡形状,使采样次数为4;当输入电压信号较大时,使采样次数为2。采用110 nm的CMOS工艺,时钟频率为400 MHz,行转换时间为23μs,分辨率为11位,量化范围为1 V内。仿真结果表明:所提技术的微分非线性(DNL)达+0.6/-0.3LSB,LSB指最低有效位,积分非线性(INL)达+0.7/-0.9LSB;最低噪声为82μV;与传统的采样次数为4的CMS技术相比,在不增加低照度下噪声的同时,将A/D转换周期节约了13μs。

多分辨率高速线列CMOS图像传感器设计

设计并验证了一款可选分辨率、高速1024线列CMOS图像传感器。为了优化列总线读出速率,芯片采用总线分割技术以减小总线寄生电容,有效提升了信号读出速率。传感器具有4种可选择分辨率功能,使其具有更高的帧频。设计的芯片采用0.5μm标准CMOS工艺成功流片,验证了设计的正确性。测试结果表明:满阱容量为4.76 Me^(-)/像素,动态范围为75 dB;在128分辨率下,帧频能达到36000 frames/s。

2.79μm中红外激光对CMOS图像传感器的辐照效应研究

研究中红外波段激光对CMOS图像传感器的辐照效应,对探索空间态势感知系统光学成像器件的激光干扰和损伤条件具有重要军事意义。开展了不同重频下2.79μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰与损伤实验。观察到CMOS图像传感器的饱和、过饱和以及损伤产生的绿屏、彩色条纹、黑屏、亮线等一系列干扰损伤现象。同时测量了传感器各种辐照现象相对应的2.79μm中红外激光干扰损伤阈值,研究了图像传感器辐照效应与激光重频之间的内在关系,分析了2.79μm中红外激光对CMOS图像传感器的干扰损伤机理。研究表明,CMOS图像传感器的激光损伤主要以材料的热熔融为主,热效应明显。在激光重频10 Hz的辐照下,饱和干扰阈值为0.44 J/cm^(2)、过饱和阈值为0.97 J/cm^(2)、损伤阈值为203.71 J/cm^(2)。研究表明CMOS图像传感器具有很好的抗干扰和抗损伤能力,实验测得的相关阈值数据在空间激光攻防领域具有重要的参考价值。

采用CMOS传感器的宽照度静态图像采集方法

介绍一种基于CMOS有源像素传感器为感光元件的宽照度范围的静态图像采集方法.采用非线性曝光二值化图像叠加技术,达到有效降低图像的饱和溢出和改善图像暗场空缺的目的;利用CMOS图像传感器输出像元信号电压与曝光时间的线性响应关系,给出一种非线性曝光时间计算方法,使像元输出电压随光照度变化在一定范围内满足对数响应关系.实验分别采用白色背景下的黑色条带图像采样、室内灯光场景的景物图像采样和室外强光直射场景的仿车牌信息图像采样.结果表明,该方法获得的图像偏差率仅为传统CMOS相机探测的图像偏差率的1/7,实现了光照度在60 dB内变化图像信息的清晰识别,可应用于宽照度下车辆牌照等静态图像采集.

面向超大面阵CMOS图像传感器的列总线自加速建立方法研究

在超大面阵CMOS图像传感器(COMS Image Sensor,CIS)中,由于像素面阵输出的列总线上存在超大的寄生电阻电容,列总线信号建立速度的主导因素发生改变,严重影响了读出速度.为了解决这一问题,本文提出了一种可应用于超大面阵CIS列并行读出机制的列总线自加速建立方法,基于电流增益增强理论,在不引入额外总线的前提下,通过对模拟信号建立过程的实时跟踪,加快列总线信号的变化过程,在列总线终端实现了自加速,将超长列总线的读出速度提升了一个数量级. 55 nm工艺下的测试与实验结果显示,采用本文提出的方法后,在亿级像素规模CIS列总线引入的寄生电容与寄生电阻分别为47 pF和20 kΩ的情况下,光电信号从像素节点到列级电路采样节点的上升建立时间由4μs缩短至790 ns,下降建立时间由22.43μs缩短至1.17μs,将亿级像素规模的CMOS图像传感器帧频提升至100帧,压缩了相关双采样的取样间隔时间,从而拓宽了噪声抑制的频率范围.本文方法实现了在保持低噪声和高速读出的同时,单列功耗仅有6.6μW.

面向亿级CMOS图像传感器的高速全并行两步式ADC设计方法

针对传统单斜式模数转换器(Analogue-to-Digital Conversion,ADC)和串行两步式ADC在面向大面阵CMOS图像传感器读出过程中的速度瓶颈问题,本文提出了一种用于高速CMOS图像传感器的全并行两步式ADC设计方法,该ADC设计方法基于时间共享和时间压缩思想,将细量化时间提前到粗量化时间段内,解决了传统方法的时间冗余问题;同时针对两步式结构在采样过程中的电荷注入和时钟馈通问题,提出了一种基于误差同步存储技术的误差校正方法,消除了采样电路非理想因素对ADC性能的影响.本文基于55 nm 1P4M CMOS工艺对所提方法完成了详细电路设计和全面测试验证,在模拟电压为3.3 V,数字电压为1.2 V,时钟频率为250 MHz,输入信号为1.472 V的设计条件下,本文设计实现的13 bit ADC转换时间为512 ns,DNL(Differential NonLinearity)为+0.8/-0.8LSB,INL(Integral NonLinearity)为+2.1/-3.5LSB.信噪失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SNDR)达到70 dB,有效位数为11.33 bit,列级功耗为47μW.相比现有的先进ADC,本文提出的方法在保证低功耗、高精度的同时,使ADC转换速率提高了74.4%以上,为高速高精度CMOS图像传感器的读出与量化提供了一定的理论支撑.

晕苯增强CMOS图像传感器

由于紫外光在硅中的穿透深度有限,以及多晶硅栅极对紫外光的吸收,导致传统的硅基CMOS图像传感器在紫外光波段的响应不高。在此,本文选择一种低成本的下转换法来提升CMOS图像传感器的紫外响应能力,采用真空热蒸发法分别在石英衬底和CMOS图像传感器的像敏面上蒸镀了晕苯薄膜,并对薄膜的光学性能、红外光谱、光稳定性和热稳定性进行了研究。实验结果表明,晕苯薄膜能吸收紫外光并发射出500 nm的绿色荧光,可以与CMOS图像传感器的光谱响应峰值很好地匹配;同时,发现晕苯红外吸收光谱的实验值和计算值基本吻合;薄膜在200℃温度下退火20 min后,其发射峰的荧光强度保持在原来的95.7%;在280 nm激发波长照射大约60 min后,发光强度呈指数衰减至初始值的64%。采用CMOS单色相机在可见光(400~780 nm)和紫外光(365 nm)下定性分析了薄膜的紫外增强效果,发现蒸镀晕苯薄膜后的CMOS单色相机可以提高对紫外光的灵敏度。

基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器

设计了一款基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器。传感器基于一种新型的结构,其可在时间域下探测高输入光强,在模拟域下探测低输入光强。该设计在传统电容反馈式跨阻放大器(CTIA)的基础上,新增了时间域测量电路,在不改变原有积分过程的同时可实现连续的大动态范围。基于0.35μm,5 V-CMOS工艺进行了256×1线列CMOS图像传感器流片,光电二极管面积为22.5μm×22.5μm,并对器件的光电特性进行了后仿真验证。仿真测试结果表明,基于时间域读出的图像传感器可实现96 dB的大动态范围,且时间域和模拟域的两路输出信号可同步输出,功耗为7.98 mW。

一种优化CMOS图像传感器成像质量的方法

噪声及动态范围是衡量CMOS图像传感器成像质量优劣的重要指标,CMOS图像传感器中的噪声主要包括模式噪声及随机噪声。在成像过程中,模式噪声对信号的影响明显大于随机噪声。本文提出了利用线性校正、分段线性校正及多项式拟合校正等多种非均匀性校正方法降低图像的模式噪声;并根据CMOS图像传感器光响应特性曲线,利用二阶多项式拟合方法,将传感器非线性区域的各像素响应校正到接近线性的目标响应曲线上,进一步提升了图像传感器的动态范围及响应线性度。通过实验验证,本文选择的CMOS图像传感器,当图像像元灰度值小于3.6×10^(3)时,采用线性校正方法;灰度值大于3.6×10^(3)时,采用二阶多项式拟合校正方法,对图像在整个曝光区间内的模式噪声的抑制效果最优;此外,经基于多项式拟合方法扩展动态范围后,图像的最大量程可从4.09×10^(3)增至4.79×10^(3)。

面向CMOS图像传感器芯片的3D芯粒(Chiplet)非接触互联技术

在后摩尔时代,3D芯粒(Chiplet)通常利用硅通孔(TSV)进行异构集成,其复杂的工艺流程会提高芯片制造的难度和成本。针对背照式(BSI)CMOS图像传感器(CIS)的倒置封装结构,该文提出了一种低成本、低工艺复杂度的3D Chiplet非接触互联技术,利用电感耦合构建了数据源、载波源和接收机3层分布式收发机结构。基于华润上华(CSMC)0.25μm CMOS工艺和东部高科(DB HiTek)0.11μm CIS工艺,通过仿真和流片测试验证了所提出的互联技术的有效性。测试结果表明,该3D Chiplet非接触互联链路采用20 GHz载波频率,收发机通信距离为5~20μm,在数据速率达到200 Mbit/s时,误码率小于10^(-8),接收端功耗为1.09 mW,能效为5.45 pJ/bit。

基于CMOS图像传感器的铣刀侧刃磨损检测误差自补偿方法研究

铣刀广泛用于船舶、医疗等各领域零部件的加工,由于刀具磨损直接影响工件的加工质量和加工效率,因此,针对工件加工过程中立铣刀侧刃的不规则磨损难以精确检测的问题,提出一种自适应拍摄角度的磨损误差补偿方法。通过分析拍摄角度对不同形状磨损域的影响规律,结合刀具结构参数建立刀具磨损量与拍摄角度之间的映射模型,实现因拍摄角度不同而导致的刀具磨损检测误差自动偿算。不同拍摄角度的实验结果表明,磨损检测精度大于95%,验证了磨损检测误差自补偿方法的可行性。该研究方法与思路对后续刀具磨损测量的高精度智能化检测具有借鉴意义。

基于CMOS图像传感器的微光成像系统信噪比研究

信噪比是微光成像系统的关键参数,决定了成像系统的性能与成像质量。给出了互补金属氧化物半导体(Complementary Metal--Oxide--Semiconductor,CMOS)图像传感器微光成像系统的信噪比模型,仿真计算了系统的信噪比与信号、噪声的关系。搭建了信噪比测试环境,完成了系统信噪比测试实验。实验结果表明,理论值与实测值一致。最后,根据信噪比分析结果对给定系统进行了参数优化。计算结果显示,优化后的系统在1mLux照度下,信噪比能达到4.5。信噪比的研究为基于CMOS微光成像系统的总体设计与优化提供了理论依据。

基于表面微结构与深沟道隔离协同的近红外响应增强CMOS图像传感器设计

阐述普通单晶硅在近红外区域消光系数偏低,需要设计不同表面微纳结构提升光程,以增加对近红外光的吸收,提高信噪比。然而,表面微纳结构将恶化传感器的暗电流和光学串扰,降低清晰度和分辨率。因此,在设计端需要将微纳结构与深沟道隔离协同处理,已达到提升红外吸收与降低光学串扰,同时平衡外延硅层结构破坏带来的噪声。探讨光学仿真和实验倒金字塔型与几何沟槽型表面微结构的红外增强水平,对比测试了其光学性能、暗电流与白点水平,得到电学与光学性能的平衡设计方案。

激光干扰和损伤CMOS图像传感器研究进展(特邀)

高能激光是对抗光电成像系统的有效手段。随着互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器性能和制作工艺的快速发展,其市场占有率已逐步赶超电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD),成为当前主流的图像传感器。CMOS图像传感器的激光干扰和损伤也随之成为国内外相关领域的研究热点。文中首先根据CMOS图像传感器的发展历程,对其结构和工作原理进行了介绍,并在此基础上简要分析了CMOS图像传感器在激光辐照过程中的薄弱环节,之后综述了CMOS在激光辐照下受到干扰及损伤现象的研究进展,并对干扰的评价方法和损伤阈值的主要测量方法进行了总结归纳,最后探讨了利用复合激光系统提升损伤CMOS图像传感器能力的发展现状和前景。