圖像傳感器作為現(xiàn)代視覺(jué)信息的重要獲取途徑,經(jīng)歷了從化學(xué)銀鹽膠片到今天的數(shù)字成像,可以實(shí)現(xiàn)信息的獲取、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)感知功能的擴(kuò)展,能夠給出直觀、真實(shí)、層次多以及內(nèi)容豐富的可視圖像信息。CMOS圖像傳感器憑借高性能、低功耗、低成本、集成度高等明顯的優(yōu)勢(shì)基本占據(jù)了整個(gè)同類產(chǎn)品的市場(chǎng)。對(duì)于一般的CMOS圖像傳感器,因其像素電路中感光元件的最大勢(shì)阱容量的限制,只有70dB~80dB的動(dòng)態(tài)范圍,遠(yuǎn)低于自然場(chǎng)景中180dB的動(dòng)態(tài)范圍,因此,動(dòng)態(tài)范圍過(guò)于狹窄是限制圖像傳感器發(fā)展的重要因素。本文針對(duì)圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍做了如下研究:首先,本文對(duì)CMOS圖像傳感器進(jìn)行了基礎(chǔ)的研究,簡(jiǎn)要介紹了圖像傳感器的幾種主要的性能參數(shù)指標(biāo),闡述了各參數(shù)對(duì)圖像傳感器成像質(zhì)量的影響,并分析了各性能參數(shù)之間相互促進(jìn)或相互制約的關(guān)系。介紹了影響圖像傳感器性能的幾種主要噪聲源,包括固定模式噪聲和時(shí)域噪聲,詳細(xì)分析了各種噪聲的產(chǎn)生原因和抑制及消除方法。對(duì)圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,介紹了幾種擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法,主要包括:阱容量擴(kuò)展、多次曝光、多探測(cè)器技術(shù)、對(duì)數(shù)響應(yīng)及混合響應(yīng)技術(shù)等,為了提高動(dòng)態(tài)范圍,設(shè)計(jì)者通常會(huì)大幅度的修改像素架構(gòu),添加許多額外的輔助電路,這勢(shì)必會(huì)占用一定的芯片面積,增加電路的噪聲,且或許會(huì)有各種各樣的非理性因素對(duì)圖像傳感器其他性能產(chǎn)生制約和影響。其次,在分析現(xiàn)有的高動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)的基礎(chǔ)之上,本文創(chuàng)新的提出一種電荷補(bǔ)償光電晶體管CCPT,并基于此電荷補(bǔ)償技術(shù)共設(shè)計(jì)了兩種像素結(jié)構(gòu),分別是基于3T像素架構(gòu)和4T像素架構(gòu),并利用兩種像素結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了圖像傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)3T像素架構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的CCPT的像素結(jié)構(gòu),只是比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)P+摻雜區(qū)形成的補(bǔ)償電壓源。新的摻雜區(qū)形成了一個(gè)補(bǔ)償二極管,其正極與外部可調(diào)的補(bǔ)償電壓源相接,負(fù)極與主光電二極管的負(fù)極相連,充當(dāng)光電器件的輸出節(jié)點(diǎn),這樣兩個(gè)背靠背的二極管構(gòu)成了一個(gè)光電晶體管結(jié)構(gòu)。在入射光強(qiáng)較弱時(shí)或積分時(shí)間較短時(shí),補(bǔ)償二極管工作在反向偏置狀態(tài),相當(dāng)于與主光電二極管并聯(lián),兩者都作為普通的光電二極管工作在積分模式下,共同釋放光生電荷,像素在弱光下具有良好的線性響應(yīng)。隨著積分時(shí)間的延長(zhǎng)或光強(qiáng)的增強(qiáng)時(shí),輸出點(diǎn)電壓逐漸降低,使得補(bǔ)償二極管兩端電壓差逐漸超過(guò)其閾值電壓,補(bǔ)償二極管轉(zhuǎn)向正向偏置狀態(tài)。此后,補(bǔ)償二極管不再產(chǎn)生光生電荷,而是向主光電二極管提供正電荷,抵消其產(chǎn)生的光生電荷,從而形成補(bǔ)償機(jī)制,避免了像素輸出過(guò)早飽。當(dāng)補(bǔ)償二極管產(chǎn)生的正向電流與主光電二極管產(chǎn)生的光生電荷達(dá)到一種平衡狀態(tài)時(shí),輸出點(diǎn)電壓將不再變動(dòng),且平衡點(diǎn)的大小只與光照強(qiáng)度有關(guān),而與積分時(shí)間無(wú)關(guān)。理論上由于二極管的正向?qū)娏髋c輸出電壓呈指數(shù)關(guān)系,使得像素輸出電壓與光照強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)模式,從而極大的擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍。而基于4T像素架構(gòu)所設(shè)計(jì)的CCPT的像素結(jié)構(gòu)有相似的工作原理。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)同時(shí)結(jié)合了線性和對(duì)數(shù)兩種工作模式的優(yōu)點(diǎn),弱光下與積分模式的傳感器性能相同,具有良好的線性響應(yīng);強(qiáng)光下與光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)響應(yīng),便于其探測(cè)更高的光強(qiáng),其理論分析和仿真結(jié)果都證明此結(jié)構(gòu)可以極大地?cái)U(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。再次,本文基于所設(shè)計(jì)的兩種CCPT像素結(jié)構(gòu)進(jìn)行了圖像傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括像素陣列設(shè)計(jì)、讀出電路設(shè)計(jì)和時(shí)序驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等。在讀出電路設(shè)計(jì)中采樣保持電路使用了相關(guān)雙采樣技術(shù),可以有效地消除像素復(fù)位噪聲和FPN噪聲。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,利用編碼器直接選擇某一個(gè)像素進(jìn)行輸出,這樣的測(cè)試方法避免了傳統(tǒng)測(cè)試方法為每個(gè)像素預(yù)留PAD,使得測(cè)試時(shí)更加便捷,同時(shí)又節(jié)省了芯片面積。在完成整體設(shè)計(jì)及版圖繪制后,采用0.18μm標(biāo)準(zhǔn)商用CMOS工藝對(duì)所設(shè)計(jì)的圖像傳感器系統(tǒng)芯片進(jìn)行了制造,分別制成了基于3T像素結(jié)構(gòu)的芯片和基于4T像素結(jié)構(gòu)的芯片。制成的芯片面積分別為4×4mm~2和3×3mm~2,像素分辨率分別為210×280和160×200,像素間距分別為為10μm和8μm,填充因子分別約為36%和31%。對(duì)制成的芯片進(jìn)行了暗電流、光電響應(yīng)特性、噪聲等性能進(jìn)行了測(cè)試與分析,測(cè)試結(jié)果表明,兩種像素結(jié)構(gòu)得到的動(dòng)態(tài)范圍分別為167dB和169dB。最后,針對(duì)像素輸出的信號(hào)過(guò)于微弱滿足不了后續(xù)處理電路對(duì)信號(hào)需求的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于讀出電路模擬前端的開(kāi)關(guān)電容可變?cè)鲆娣糯笃鳌榱颂岣哒麄�(gè)可變?cè)鲆娣糯笃飨到y(tǒng)的精度,作為核心電路的運(yùn)算放大器采用了全差分兩級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)提高開(kāi)環(huán)增益。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,運(yùn)算放大器的增益帶寬積可以隨著VGA增益的變化而變化。誤差校正DAC的引入可以補(bǔ)償暗電流引起的誤差,且誤差校正DAC的補(bǔ)償電壓隨VGA增益的增大而增加。利用xfab 0.18μm CMOS工藝進(jìn)行流片。最后結(jié)果表明,在電源電壓為3.3V的情況下,VGA電路功耗為65mW,增益動(dòng)態(tài)范圍為-3dB~19 dB。在40MS/s的采樣頻率下,得到有效位數(shù)為14.9bit精度,信噪比達(dá)到了91.4dB,無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了97.9dB,誤差校正范圍為-507mV~507mV,可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)像素輸出信號(hào)的放大功能和校正功能。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文1.2 圖像傳感器的成像流程圖像傳感器是和眼睛類似的視覺(jué)系統(tǒng)，它最直觀的作用就是對(duì)圖像的復(fù)現(xiàn)，人眼看到的景象是光從物體上反射而成的光，然后人眼吸收這些光子并在大腦里成像，而圖像傳感器的成像原理與人眼成像原理類似，圖 1.1 給出了圖像傳感器的成像流程圖。

第一章 緒論此外，慢動(dòng)作視頻拍攝也是當(dāng)今智能手機(jī)的目標(biāo)之一，它可以通過(guò)超高的幀速率拍攝視頻，然后以較低的幀速率回放來(lái)實(shí)現(xiàn)。2018 年，TSMC 公司提出了一個(gè) 4224×3200 像素陣列，以每秒 514 幀的慢動(dòng)作拍攝的 CIS[25]；三星電子推出的 ISOCELL Fast 2L3CIS 以每秒 960 幀的超級(jí)慢動(dòng)作、弱光拍攝，大大強(qiáng)化了拍攝功能。由于超高的幀速率會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，而圖像傳感器與處理器之間的信號(hào)傳輸具有帶寬的限制，因此，圖像傳感器芯片采用了 3D 堆棧式結(jié)構(gòu)(StackCMOS)[26]。

圖 1.3 圖像傳感器的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢(shì).4 本論文的研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本文的研究目的在于提高圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，傳統(tǒng) CIS 由于像素感光的最大勢(shì)阱容量的限制，動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍，造成圖像細(xì)節(jié)丟失，同時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍越大，所記錄的暗部和亮部細(xì)節(jié)越豐富，表現(xiàn)的也越豐富。因此，本文致力于研究一種超寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器。本論文的創(chuàng)新貢獻(xiàn)包括：提出了一種新型電荷補(bǔ)償光電晶體管（Charge Compensated PhototransisCPT），該器件在像素結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中無(wú)需任何外圍電路即可實(shí)現(xiàn)線性對(duì)數(shù)兩作模式，設(shè)計(jì)工藝與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝相兼容。結(jié)果證明，CCPT 的光電響應(yīng)高，動(dòng)態(tài)范圍也得到了極大的提升。

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