基于数字域的真彩色TDI-CMOS图像传感器实现方法

提出一种可以获得RGB模式真彩色图像的时间延迟积分(TDI)型CMOS图像传感器实现方法。将滚筒式曝光应用于TDI技术,采用先累加、后读出的工作方式加快了图像数据读出速度;采用红、绿、蓝三色滤光片循环排列的彩色滤波阵列(CFA)获得真彩色图像,避免色彩失真;推导并验证了数字域TDI算法。结果表明:TDI级数每增大2倍,图像的峰值信噪比(PSNR)提高3dB。

全局/滚动曝光兼容高动态抗辐照CMOS图像传感器设计

针对高速目标的高精度探测及辐射环境的应用要求,为解决全局与滚动曝光模式兼容难度大、灵敏度和动态低、帧速不高、抗辐照水平低等问题,对CMOS图像传感器架构、像素结构、列并行高精度数字化、高速读出、抗辐照加固等技术进行研究。基于单边列并行DDS、多模兼容的架构方案,设计了一款7.5μm×7.5μm,2048×2048可见光CMOS图像传感器,采用双增益像素结构、高帧速数字化读出、多通道可选输出、像素和电路抗辐照加固等方法,实现了全局与滚动曝光兼容、高灵敏度高动态成像、高精度数字化和高速输出、抗辐照加固等技术验证,填补了国内多模曝光兼容抗辐照CMOS图像传感技术研究空白。测试结果表明:器件功能正常,成像效果良好,动态范围、满阱电荷、灵敏度、帧速、抗辐照等指标满足预期要求,对高速高动态成像及辐射环境的系统应用具有重要意义。

CMOS图像传感器辐射敏感参数测试电路设计及试验验证

以航天领域广泛应用的CMV4000型CMOS图像传感器(CIS)为研究对象,通过开展CIS辐射敏感参数测试电路设计,将CIS辐照电路板与测试电路板中FPGA数据采集及传输板分离,辐照电路板与测试电路板通过接插口通信,从而实现开展辐照试验时对FPGA数据采集部分进行辐射屏蔽防护,避免FPGA数据采集板受到辐射影响。开展了CIS测试电路中的电源模块、数据采集、存储模块、外围电路等设计及PCB版图的布局布线设计。采用VerilogHDL硬件描述语言对各个功能模块进行驱动时序设计,实现CIS辐射敏感参数测试功能。通过开展CMV4000型CIS ^(60)Coγ射线辐照试验,分析了平均暗信号、暗信号非均匀性、暗信号分布等辐射敏感参数随总剂量增大的退化规律,验证了CIS辐射敏感参数测试系统的可靠性。

基于异源传感器无人机目标图像融合技术研究

针对当前无人机图像采集单一、采集效果差等问题,文章对无人机图像融合的方法进行了研究和对比实验分析。提出了一种基于红外传感器和可见光传感器的无人机目标图像融合方法,首先对红外传感器和可见光传感器采集到的图像进行去噪、滤波和增强处理,然后对处理后的图像进行OpenSurf算法配准,最后对配准后的图像进行小波变换图像融合处理。实验结果表明:该方法能够较好地对异源传感器无人机目标图像进行处理,取得较好的图像配准和融合效果。

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.

全局快门型sCMOS图像传感器外触发同步瞬态曝光模式探究

为实现sCMOS图像传感器在瞬态成像系统中,外部触发信号与传感器曝光的精确同步,对sCMOS图像传感器外触发工作模式进行了研究。首先,分析了sCMOS图像传感器的性能参数、工作原理及相关四重采样机制;其次,对sCMOS图像传感器的一般工作时序进行分析,并按照瞬态成像系统所需的工作时序,对sCMOS图像传感器设计了高同步精度的外触发工作模式,实现了成像系统的同步瞬态曝光;然后,将成像系统放置在暗箱中,对固定光源的图像进行成像实验;最后,改进了成像系统的外触发工作模式,获取了高增益图像。实验结果表明:成像系统的触发延迟时间小于26.68 ns,触发晃动时间小于6.67 ns;在外触发工作模式下,图像传感器要实现同步曝光功能,必须将外部触发信号设置在复位帧读出之前,并且传感器的同步曝光过程必须跨过一帧复位帧,即成像系统的工作流程依次为等待外触发信号、传感器曝光与复位帧读出、数据帧读出。该成像系统能够实现外部触发信号与曝光过程同步的功能,可与像增强器耦合用于瞬态过程成像。

连续激光辐照背照式CMOS图像传感器实验研究

背照式互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)图像传感器较前照式结构显著提高了低光照环境下的拍摄效果,激光对不同结构传感器有不同的干扰损伤机制。为了研究激光对背照式CMOS图像传感器的影响,利用1 064 nm连续激光,开展对背照式CMOS图像传感器的干扰和损伤实验研究。干扰实验观察到饱和与反饱和现象,激光功率密度大于1.39×10^(-2)W/cm^(2)时出现饱和现象,大于1.03×10~4W/cm^(2)时出现反饱和现象。损伤实验观察到点损伤、十字线损伤、面损伤和致盲现象,功率密度大于1.35×10^(6) W/cm^(2)出现点损伤,大于1.74×10^(6) W/cm^(2)出现十字线损伤,大于1.65×10^(7) W/cm^(2)时出现面损伤现象,进一步增加激光功率,探测器最终出现致盲现象。背照式结构电路较前照式结构的位置更深,干扰和损伤所需的激光功率更高,因此抗激光能力更强。

质子辐照下CMOS图像传感器随机电报信号机理研究

针对星用CMOS图像传感器面临的质子辐照导致像素性能退化问题,基于中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器试验装置,开展质子辐照导致CMOS图像传感器随机电报信号研究。试验结果表明,CMOS图像传感器积累的位移损伤剂量为240 TeV·g^(-1)时,质子辐照产生的随机电报信号占比为21.4%。随机电报信号可在2~8个固定的暗电流台阶之间随机波动,而且其行为受积分时间调控。分析认为,质子辐照CMOS图像传感器产生的随机电报信号来自于光电二极管,与像素内晶体管无关。质子辐照诱发的复杂位移缺陷是导致光电二极管随机电报信号的原因,复杂位移缺陷在室温条件下可以在不同结构之间随机转换,引起暗电流随机波动。低温工作条件可以有效抑制质子辐照导致的随机电报信号。

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。

不同能量质子辐照CMOS图像传感器的单粒子瞬态效应研究

针对空间环境宽能谱质子辐射导致的CMOS图像传感器单粒子效应问题,开展了不同能量质子辐照试验,研究了质子辐照导致CMOS图像传感器单粒子效应的异常现象、图像特征及参数性能变化规律。试验表明,质子辐照主要导致CMOS图像传感器出现明显的单粒子瞬态(single event transient,SET)效应现象,包括SET亮斑和亮线。通过对比不同条件下的试验结果,分析了质子能量、积分时间等变化对SET亮斑覆盖像素情况、信号水平的影响规律,并结合TCAD仿真工具,分析了SET亮斑的产生机制。研究结果表明:SET亮斑灰度水平和覆盖像素数目均随辐照质子能量增加而增大;SET亮斑覆盖像素最大灰度值、平均灰度值随CMOS图像传感器积分时间增加而增大,通过调节CMOS图像传感器的积分时间,可以明显改变SET亮斑的特征和器件成像性能;从TCAD软件仿真的微观物理过程获得了SET亮斑随积分时间变化的机制,支持了对试验结果的分析和判断。研究结果可为CMOS图像传感器空间辐射效应评估、抗辐射加固提供试验和理论参考。

TDI-CMOS图像传感器多次采样叠加调制传输函数模型研究

提出了多次采样叠加下时间延迟积分(TDI)CMOS图像传感器沿扫描方向的调制传输函数(MTF)分析模型。基于行滚筒曝光读出原理,研究了一个行时间内采样次数、叠加次数、TDI级数和速度失配比对扫描MTF的影响机理。为验证扫描MTF模型,基于TDI-CMOS图像传感器将连续视场映射为离散图像的几何和能量传输关系分析,建立了成像仿真系统并利用刃边法计算MTF曲线。仿真结果表明,扫描MTF随着采样次数增加而增大;当采样次数固定,扫描MTF随着叠加次数增大而减小;扫描MTF随着速度失配比和TDI累加级数增大而减小。

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。

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。

面向超大面阵CMOS图像传感器的全局斜坡一致性校正方法

针对大面阵CMOS图像传感器(CIS)中存在的斜坡信号不一致性问题,该文提出一种用于CMOS图像传感器的斜坡一致性校正方法。该误差校正方法基于误差存储和电平移位思想,在列级读出电路中引入用于存储各列斜坡不一致性误差的存储电容,根据存储的斜坡不一致性误差对各列的斜坡信号进行电平移位,确保斜坡信号的一致性。该文基于55 nm 1P4M CMOS工艺对提出的斜坡一致性校正方法完成了详细电路设计和全面仿真验证。在斜坡信号电压范围为1.4 V,斜坡信号斜率为71.908 V/ms,像素面阵规模为8 192(H)×8 192(V),单个像素尺寸为10μm的设计条件下,该文提出的校正方法将斜坡不一致性误差从7.89 mV降低至36.8μV。斜坡信号的微分非线性(DNL)为+0.001 3/–0.004 LSB,积分非线性(INL)为+0.045/–0.02 LSB,列级固定模式噪声(CFPN)从1.9%降低到0.01%。该文提出的斜坡一致性校正方法在保证斜坡信号高线性度,不显著增加芯片面积和不引入额外功耗的基础上,斜坡不一致性误差降低了99.53%,为高精度CMOS图像传感器的设计提供了一定的理论支撑。

应用于高速图像传感器的高线性度Latch ADC

针对高速应用设备对CMOS图像传感器高速、高线性度的要求,本文在传统SS ADC(Single Slope ADC,单斜模数转换器)的基础上,实现了一款应用于图像传感器的Latch ADC,工作频率达到了600 MHz。Latch ADC可以多列像素共用一个Gray Code计数器,并通过Latch结构快速锁定和存储数据,实现了SS ADC中Counter和SRAM的功能。本文采用110 nm工艺,实现了一种高速12位Latch ADC。经过仿真验证,本文的Latch ADC具有高线性度,每次转换的周期为7.094μs,平均功率为180.3μW,转换功耗为1.279 nJ.

基于二维半导体的图像传感器

图像传感器作为获取视觉信息的重要器件,可将感知到的光信号转换为电信号进行输出。目前,基于互补型金属氧化物半导体构建的图像传感器制造技术已相当成熟。然而,在某些特定的应用场景下,对微型化和多功能的图像传感器的需求仍待解决。面对此挑战,结合二维半导体丰富的材料体系及优异的光电特性,以及器件向微型化和多功能化发展的趋势,基于二维半导体的图像传感器在微型化和高集成度方面显示出巨大潜力,为图像传感器领域的发展带来了新机遇。本文首先介绍了二维半导体的带隙特性及其对应的光谱响应波段范围,展示了基于二维半导体的单像素成像技术;接着,阐述了如何利用二维半导体原子排布呈面内各向异性的特征,成功构筑了偏振敏感的图像传感器;最后,探讨了随着大面积二维半导体材料生长技术的不断成熟,如何进一步实现基于二维半导体像素阵列图像传感器的构筑。

基于光纤传感器的建筑立面裂缝数字图像检测方法

旨在提出一种基于光纤传感器的建筑立面裂缝数字图像检测方法,以实现对建筑结构裂缝的精准监测和分析。研究的目的在于应对传统监测方法在灵敏性和实时性上的不足,通过光纤传感器的高灵敏度和实时监测特性,提高裂缝检测的准确性和时效性。研究结果表明,所提出的方法在不同光照条件和建筑结构下均取得了良好的检测效果。通过数据表格分析,验证了光纤传感器数据与图像融合的有效性,同时裂缝特征提取算法和深度学习模型的综合应用显著提高了裂缝检测的准确性。

利用手机CMOS图像传感器测弹簧弹性系数

测量弹簧劲度系数一般有两种方法:拉伸法和简谐振动法.在传统拉伸法测量中,大多通过增减砝码来间接测量,在传统简谐振动法测量实验中,大多采用光电门对弹簧振子周期进行计时.本文主要利用智能手机CMOS图像传感器来测量简谐振动的振子位置随时间变化图像,从图像中提取周期和阻尼信息,进而得出弹簧的弹性系数.改进后,实验数据测量的标准偏差和相对误差较小,分别为0.003 7 N/m和0.26%.本实验能够详细地观察到弱阻尼简谐振动的物理图像,测量出空气和水中的弱阻尼系数.

基于红外传感器和图像识别的复合式火焰检测技术研究

鉴于传统火焰探测系统误报率高、易受干扰等问题,提出了一种综合应用热释电红外火焰识别和火焰图像识别技术的火焰探测解决方案。基于火焰探测原理,详细阐述了系统硬件设计,包括系统整体构成和硬件电路的功能分析。根据系统硬件设计方案,进行了系统信号处理设计,包括红外模块识别算法和图像视觉识别算法的开发。基于LabVIEW平台构建分布式火焰测控系统及上位机。通过火焰识别和识别抗干扰两种类型的实验,验证了整个系统在远距离探测、高速识别以及高可靠性方面的卓越性能。

基于图像识别的角度传感器设计

为了解决传统光电编码器编码复杂、结构复杂的问题,提出了一种基于图像识别的角度传感器。通过最小二乘圆拟合曲线算法求得光斑的中心点坐标,以该坐标点作为光斑的中心点位置,光斑随着旋转轴运行一周后得到一个虚椭圆,通过计算光斑的运动轨迹来求得虚椭圆的中心坐标,进而计算出光斑中心点坐标与输出角度之间的关系。利用霍尔角度传感器的角度作为基准值来检验本文设计的测量精度。实验结果表明:基于图像识别的光电角度传感器的平均非线性误差为8.52%,测量精度达到了2.624°。