極弱光成像或者單光子成像在夜視、偵查以及空間科學(xué)等諸多領(lǐng)域都有迫切的應(yīng)用需求,成像儀器正逐漸處于主導(dǎo)地位,成像儀器的尺寸、性能、低光敏感度變得尤為關(guān)鍵,逐步推進(jìn)弱光成像傳感器的性能提升。電子轟擊型有源像素傳感器(EBAPS)具有高靈敏、高分辨率、低噪聲、小體積、低功耗的特性,正成為新一代先進(jìn)的極弱光成像傳感器。近年來(lái),隨著制造工藝水平的提升,APS已經(jīng)在視頻領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,尤其是低噪聲背照APS的市場(chǎng)化,使研制低成本、高質(zhì)量、可用于極弱光成像的EBAPS成為可能,美國(guó)的Intevac公司已經(jīng)在國(guó)際上率先推出了EBAPS產(chǎn)品,專(zhuān)門(mén)服務(wù)于美國(guó)的軍方和政府機(jī)構(gòu)。針對(duì)我國(guó)自主開(kāi)發(fā)EBAPS的應(yīng)用需求,本文以我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的可應(yīng)用于EBAPS的APS傳感器為成像器件,深入研究了APS器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、控制時(shí)序及成像方式,并且根據(jù)穿戴式設(shè)備的開(kāi)發(fā)需要,選取了Microsemi公司的低功耗系列的FPGA作為主控芯片,利用2片低功耗異步SRAM緩存圖像數(shù)據(jù),最終圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB 3.0傳輸至上位機(jī),上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)以便分析。根據(jù)各個(gè)器件特性,本文設(shè)計(jì)了6層電路板結(jié)構(gòu),成功研制了相機(jī)系統(tǒng)的硬件電路,并以此為平臺(tái)通過(guò)對(duì)各個(gè)器件時(shí)序的分析,使用硬件描述語(yǔ)言Verilog設(shè)計(jì)了有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)相機(jī)系統(tǒng)圖像采集、像素?cái)?shù)字化、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸?shù)雀髂K的驅(qū)動(dòng)時(shí)序,而且可以通過(guò)修改軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器曝光時(shí)間的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為0-150 ms,1024級(jí)可調(diào)。通過(guò)ModelSim平臺(tái)對(duì)狀態(tài)機(jī)時(shí)序做時(shí)序仿真,證明時(shí)序設(shè)計(jì)的可行性。對(duì)相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試分析,測(cè)試了輸出的像素信號(hào)響應(yīng)非均勻性,并利用定標(biāo)單點(diǎn)校正的方法對(duì)非均勻性進(jìn)行了校正,像素信號(hào)的響應(yīng)非均勻性降低為校正前的0.15,非均勻性得到明顯改善。通過(guò)測(cè)試APS像素補(bǔ)償電壓(BLACKREF)與輸出像素信號(hào)的關(guān)系,綜合考慮所選用的ADC芯片的輸入線性范圍,確定像素補(bǔ)償電壓為0.5V時(shí),APS傳感器與ADC均處于線性工作區(qū),且像素信號(hào)幅值可以達(dá)到1.28V。相機(jī)調(diào)試完畢后,在傳感器前端安裝遠(yuǎn)焦鏡頭進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。日光燈下的天花板圖像可以清晰看到條紋及斑點(diǎn)。在連續(xù)成像的情況下,幀頻7 fps,整機(jī)功耗為0.82W,電子學(xué)噪聲約為6.7 mV,基本實(shí)現(xiàn)了微型低功耗相機(jī)的指標(biāo),為穿戴式EBAPS相機(jī)研制奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：V445.8
【部分圖文】：

計(jì)要求選擇了相機(jī)系統(tǒng)合適的實(shí)現(xiàn)方式。及工作原理成像傳感器是目前國(guó)際上新 代的基于 CMO構(gòu)主要包括光陰極和 APS。APS 是 CMOS 像素內(nèi)都集成 個(gè)緩沖器或放大器，使信號(hào)構(gòu)示意圖如圖 2.1 所示。工作原理如下：積位，復(fù)位光柵結(jié)構(gòu)或光電二極管兩端的電壓通過(guò)源跟隨器輸出到行選通管，行選脈沖驅(qū)線輸出。積分電壓信號(hào)通過(guò)源跟隨器來(lái)驅(qū)動(dòng)壓的影響，降低了讀出噪聲，從而提高了信構(gòu)，導(dǎo)致像元尺寸較大，填充系數(shù)較小，但靈敏度高、速度快，具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。漏極電壓

圖 2.2 APS 芯片結(jié)構(gòu)Figure 2.2 Structure of APS chip感器以 APS 芯片為陽(yáng)極，直接接收光陰極發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為電子-空穴對(duì)，光電子在真空密封的結(jié)構(gòu)中可產(chǎn)生電子轟擊半導(dǎo)體（EBS）增益。這個(gè)增益足夠高單光子探測(cè)。EBAPS 芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.3 所示[于真空管中，作用于光陰極的加速電壓用于產(chǎn)生電子光電子直接被 APS 接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。 般 芯片是負(fù)值，以保證作用于 APS 芯片的偏置電壓接對(duì)接。入射電子會(huì)在電介質(zhì)與半導(dǎo)體的接觸面產(chǎn)生輻命，為了保證該芯片既能獲得足夠的電子轟擊半導(dǎo)體壽命，加速電壓應(yīng)低于 2kV[8]。列選控制電路

圖 2.2 APS 芯片結(jié)構(gòu)Figure 2.2 Structure of APS chip 傳感器以 APS 芯片為陽(yáng)極，直接接收光陰極發(fā)出的光電量轉(zhuǎn)換為電子-空穴對(duì)，光電子在真空密封的結(jié)構(gòu)中可以，產(chǎn)生電子轟擊半導(dǎo)體（EBS）增益。這個(gè)增益足夠高從現(xiàn)單光子探測(cè)。EBAPS 芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.3 所示[8]裝于真空管中，作用于光陰極的加速電壓用于產(chǎn)生電子轟的光電子直接被 APS 接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。 般情PS 芯片是負(fù)值，以保證作用于 APS 芯片的偏置電壓接近件對(duì)接。入射電子會(huì)在電介質(zhì)與半導(dǎo)體的接觸面產(chǎn)生輻射壽命，為了保證該芯片既能獲得足夠的電子轟擊半導(dǎo)體用壽命，加速電壓應(yīng)低于 2kV[8]。真空管 APS 芯片光電子管座裝置

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本文編號(hào)：2807956