CMOS图像传感器动态范围扩展技术的研究

论文摘要

CMOS图像传感器是集光电探测器、模拟电路和数字电路于一体功能完善的超大规模数模混合集成电路。相对于CCD图像传感器技术,CMOS图像传感器具有低成本、低功耗、随机读取、单片集成等优点,具有广泛的应用前景。本论文重点研究了CMOS图像传感器动态范围扩展技术。首先分析半导体光电效应的基本原理,典型的CMOS工艺兼容光电探测器,以及CMOS图像传感器本身所具有的局限性,还详细分析了CMOS图像传感器中的随机噪声源和固定模式噪声源,并对固定模式噪声进行理论推导,从而为对数有源像素的固定模式噪声消除奠定基础。动态范围是图像传感器成像质量的重要指标,动态范围较大就可以探测到更宽光强范围内的场景信息,探测到的图像细节更丰富。但由于硅材料本身最大的光动态范围低于应用要求,研究动态范围扩展技术是CMOS图像传感器拓展其大动态范围应用领域的迫切需要。本文分别从三个层次研究动态范围扩展技术,具有独创性:首先,重点研究光电对数响应技术,这种技术改变了像素单元结构,属于像素层次上的探索;其次,研究了自动增益控制技术,通过调节预处理放大器的增益实现动态范围扩展,属于像素模拟预处理电路层次上的探索;最后,研究了自适应曝光调节技术,通过调节曝光时间自适应环境光强,属于CMOS图像传感器SOC系统层次上的探索。本论文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围CMOS图像传感器研究”的重要组成部分,同时也是国家自然科学基金资助项目“基于深亚微米大动态范围、千万像素CMOS图像传感器关键技术研究”的重要组成部分。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 真空管图像传感器与固态图像传感器
• 1.2.1 真空管图像传感器
• 1.2.2 固态图像传感器
• 1.3 固态图像传感器的历史回顾
• 1.3.1 CCD 图像传感器
• 1.3.2 CMOS 图像传感器
• 1.4 ADC 在CMOS 图像传感器上的集成
• 1.4.1 芯片级ADC
• 1.4.2 列级ADC
• 1.4.3 像素级ADC
• 1.4.4 ADC 的三种集成方法比较
• 1.5 设计CMOS 图像传感器的关键问题
• 1.5.1 失配（Mismatch）
• 1.5.2 数字电路产生的噪声
• 1.6 本论文研究构思、内容及主要创新点
• 1.6.1 研究构思
• 1.6.2 研究内容
• 1.6.3 主要创新点
• 第二章 CMOS 图像传感器感光机理
• 2.1 半导体的光电效应
• 2.1.1 硅的光电效应
• 2.1.2 吸收系数
• 2.1.3 产生率和量子效率
• 2.1.4 复合
• 2.1.5 反射
• 2.1.6 光电流的收集
• 2.1.7 光电二极管的工作原理
• 2.2 CMOS 工艺兼容的光电探测器
• 2.2.1 光电二极管（Photodiode, 简称PD）
• 2.2.2 光栅结构光电探测器（Photogate，简写PG）
• 2.2.3 Pinned 光电二极管（Pinned Photodiode，简写为PPD）
• 2.2.4 不同像素结构的特性参数比较
• 2.3 CMOS 图像传感器的局限性
• 2.3.1 串扰（Crosstalk）
• 2.3.2 固定模式噪声（FPN）
• 2.3.3 填充因子（Fill Factor, FF）
• 2.3.4 暗电流（Dark Current）
• 第三章 CMOS 图像传感器的噪声分析
• 3.1 CMOS 图像传感器中的随机噪声源
• 3.1.1 热噪声
• 3.1.2 散粒噪声
• 3.1.3 闪烁噪声（1/f）
• 3.1.4 复位噪声
• 3.2 CMOS 图像传感器中的固定模式噪声分析
• 3.2.1 线性有源像素中的固定模式噪声源
• 3.2.2 固定模式噪声值的推导
• 3.2.3 CMOS 图像传感器中各部分噪声源
• 3.3 CMOS 图像传感器复位噪声分析
• 3.3.1 稳态时的复位阶段噪声分析
• 3.3.2 稳态时间tsettle
• 3.3.3 复位噪声随时间的变化
• 第四章 动态范围扩展技术——对数有源像素设计
• 4.1 CMOS 图像传感器的动态范围
• 4.1.1 动态范围的定义
• 4.1.2 常见图像采集系统的动态范围
• 4.1.3 扩展动态范围的方法
• 4.2 CMOS 兼容的光电二极管HSPICE 模型
• 4.2.1 等效电路模型
• 4.2.2 行为级SPICE 模型
• 4.3 对数有源像素（Log-APS）建模
• 4.3.1 对数有源像素的基本原理
• 4.3.2 对数有源像素SPICE 模型的建立
• 4.4 对数有源像素的优化
• 4.4.1 电学灵敏度特性优化
• 4.4.2 传统型和反相型结构的选择
• 4.4.3 对数有源像素的固定模式噪声分析
• 4.5 对数响应像素电路改进
• 4.5.1 复合型对数有源像素的工作模式
• 4.5.2 双采样技术在复合型对数有源像素中的运用
• 4.6 对数有源像素的版图实现
• 4.7 小结
• 第五章 动态范围扩展技术——可变增益放大器的研究
• 5.1 自动增益控制技术的系统架构
• 5.2 可变增益放大器基本设计思想
• 5.3 可编程增益放大器中的电容阵列编码方式
• 5.3.1 简单独热码编码方式
• 5.3.2 固定反馈系数独热码编码方式
• 5.3.3 温度计码编码方式
• 5.3.4 固定反馈系数温度计码编码方式
• 5.4 可编程增益放大器中的系统结构设计
• 5.4.1 两级流水线结构
• 5.4.2 三级流水线结构
• 5.5 工作时序及时钟网络
• 5.6 电路仿真结果
• 5.7 小结
• 第六章 动态范围扩展技术——自适应曝光调节技术的研究
• 6.1 滚筒式曝光
• 6.2 自适应曝光判决算法
• 6.2.1 曝光时间
• 6.2.2 判决算法
• 6.3 自适应曝光电路设计
• 6.3.1 像素饱和统计单元
• 6.3.2 像素扫描单元
• 6.3.3 曝光选择和时序控制单元
• 6.4 像素复位曝光控制逻辑设计及分析
• 6.4.1 像素复位曝光分析
• 6.4.2 像素复位曝光设计
• 6.5 模拟仿真结果
• 6.6 小结
• 第七章 总结
• 7.1 总结
• 7.2 后续研究工作的方向
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢