不同材料CMOS阵列电串扰特性的分析及比较

从传感器的响应及电子扩散原理分析了影响CMOS阵列串扰特性的几个主要因素。选择了锗、硅、砷化镓这几种常见的光电材料,分析并比较了材料特性对CMOS阵列串扰特性的影响。具体分析了三种光电材料在各自光谱响应峰值波长下,不同入射条件和结构参数对应电串扰的输出情况。结果表明:在相同条件下,锗材料制作的CMOS阵列具有最大的电串扰输出,在结构条件一致的前提下,入射光的功率在200μW时,锗材料CMOS阵列的串扰比硅和砷化镓材料分别高了58.97 mV、115.81 mV。结构参数对不同材料CMOS阵列具有相同的影响规律,但是锗材料CMOS的串扰变化最为显著,在其他参数不变的情况下,耗尽层宽度为1μm时,锗材料CMOS的串扰输出比硅和砷化镓材料的分别高了56.67mV、121.84 mV。分析结果为CMOS阵列材料的选择及串扰抑制技术提供了参考数据。     

用于数码相机的瞳孔控制自动对焦技术

对焦窗口的选择是数码相机进行自动对焦的关键问题之一。现有的对焦窗口的选择方法过于简单,由于成像目标的复杂性,有必要使对焦窗口的选择本身实现自动化和智能化[1]。提出了一种利用数字图像处理来进行瞳孔控制自动对焦的方法。对现有照相机结构稍加改进后,可以利用数码相机中现有的CCD/CMOS图像传感器获取拍摄者眼睛的图像,再通过对拍摄者眼睛的图像进行处理来判断其瞳孔在眼睛中的位置。根据这一位置信息,可以推断拍摄者的注意力所集中的区域,从而对焦窗口的自动选择。     

基于CCD与CMOS的图像传感技术

概述了CCD图像传感器的原理、特点及发展趋势。对CMOS图像传感器的结构和工作原理,尤其是CMOS与CCD两类图像传感之间的不同进行综述。重点介绍了CMOS图像传感器的研究现状和发展趋势。     

数码相机图像传感器技术

介绍了数码相机中图像传感器的关键技术和相关的新技术。目前广泛被使用的图像传感器是CCD、SuperCCD和CMOSImageSensor(互补性氧化金属半导体图像传感器)。在分析和介绍图像传感器的结构、读出方式、彩色滤光阵列(CFA)等技术内容的基础上,对数码相机设计采用的图像传感器在关键技术指标进行了综合对比。     

TDI CMOS图像传感器曝光时间优化方法研究

为了提高时间延迟积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)图像传感器的成像质量,研究了TDI CMOS图像传感器中曝光时间的选取对成像质量的影响。基于行滚筒曝光读出原理,分别分析了曝光时间对信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)的影响机理,根据分析结果,提出在级数已选定的情况下,曝光时间的选取存在最优值,此时得到的图像质量较好。为验证结论,基于自主研发的TDI CMOS图像传感器芯片及现场可编程门阵列(FPGA)开发板,搭建了TDI CMOS图像传感器成像测试系统。实验中采用MTF×SNR作为评价图像质量的指标,实验结果表明,在选定的相机参数下,积分级数为8级,光强为20 lx时,TDI CMOS图像传感器曝光时间选取64 ms时所得到的图像质量最好,此时MTF×SNR最大。     

基于CMOS图像传感器的成像系统设计

以OV 5 116CMOS图像传感器为例 ,讨论了基于CMOS图像传感器的成像系统的电路设计方法及系统设计中应注意的问题 ;并通过对CMOS图像传感器外围电路的优化设计实现了成像系统的微型化和轻量化。     

CMOS有源像素图像传感器的电子辐照损伤效应研究

对某国产CMOS图像传感器进行了两种不同能量的电子辐照试验,在辐照前后及退火过程中采用离线测量方法,考察了暗信号、饱和电压、光谱响应特性等参数,分析了器件的电子辐照效应损伤机理。结果表明:暗信号和暗信号非均匀性都随着辐照剂量的增加及高温退火时间的延长而增大;饱和电压在两种能量电子辐照下均出现较大幅度的减小,并在高温退火过程中有所恢复;光谱响应特性无特别明显变化。经分析,暗电流、饱和电压的变化主要由辐照诱发的氧化物陷阱电荷导致的光敏二极管耗尽层展宽和界面陷阱电荷密度增大导致产生-复合中心的增加所引起。     

CCD与CMOS像素传感器γ射线电离辐射响应特性对比研究

为了研究CCD与CMOS像素传感器对γ射线电离辐射的响应差异,对比研究了4类像素传感器的结构特点和辐射响应特性。通过辐射实验,对各传感器在不同辐射水平条件下的光子响应事件分布、平均灰度值以及典型光子响应事件进行研究。研究结果表明：光子响应程度均与辐射剂量率相关;CCD像素传感器的沟道传输方式使每列像元间的辐射响应更容易相互干扰;平均灰度值随剂量率的增大存在明显的梯度,各积分周期内输出信号灰度值围绕均值上下波动,CCD像素传感器输出信号灰度浮动范围较小;CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显,CCD像素传感器各像元的响应信号易与相邻像元发生串扰;各类像素传感器典型辐射响应事件区域中发生光子响应的像元数量随剂量率的增大而增多,响应事件并非单个光子的行为,而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。本研究为开发像素传感器的γ射线辐射探测技术和应用提供了重要的理论分析和实验数据支撑。     

两种高速CMOS图像传感器的应用与测试

采用MI-MV13和LUPA-1300-2两种不同厂家型号的高速CMOS图像传感器,设计了分辨率为1 280×1 024的300～500 frame/s高速数字工业相机,并在实验室条件下对设计相机进行了关键性能指标对比测试,得到了光谱响应及量子效率、增益、动态范围、暗电流、读出噪声、光电响应非均匀性等测试结果。测试分析显示,LUPA-1300-2的峰值量子效率为50%,比MI-MV13的峰值量子效率高12%,与厂家的参考指标基本一致。测试结果证明:该测试方法正确,对两种高速CMOS图像传感器的关键性能指标的测试客观可信,所设计的高速CMOS摄像机的性能基本满足高帧频摄像的要求。     

两种高速CMOS图像传感器的应用与测试

采用MI-MV13和LUPA-1300-2两种不同厂家型号的高速CMOS图像传感器,设计了分辨率为1 280×1 024的300～500 frame/s高速数字工业相机,并在实验室条件下对设计相机进行了关键性能指标对比测试,得到了光谱响应及量子效率、增益、动态范围、暗电流、读出噪声、光电响应非均匀性等测试结果。测试分析显示,LUPA-1300-2的峰值量子效率为50%,比MI-MV13的峰值量子效率高12%,与厂家的参考指标基本一致。测试结果证明：该测试方法正确,对两种高速CMOS图像传感器的关键性能指标的测试客观可信,所设计的高速CMOS摄像机的性能基本满足高帧频摄像的要求。     

Optical characterization methods for solid-state image sensors

The accurate measurement of the optoelectronic properties of imaging sensors is of utmost importance for their appropriate use in various modern application fields, such as in metrology, quality control, environmental monitoring, medicine or for automotive applications. Key sensor parameters include spatial resolution, uniformity, sensitivity, linearity, signal to noise ratio and dynamic range. Today high-end optical systems mostly rely on charge coupled device (CCD) image sensors. Continuous progresses in CMOS submicron technology and the advent of ‘active pixel sensor’ (APS) imagers have however led to a wealth of novel line and area array imaging devices with added functionalities (eg. on-chip control and read-out electronics) or performance optimized for specific tasks (eg. a dynamic range in excess of 120 dB). The optimal use of CMOS image sensing technology nevertheless depends strongly on the absolute and accurate optoelectronic characterization of these devices. Modern measurement techniques for a reliable, traceable, precise and absolute measurement of the most relevant parameters of CCD and CMOS imaging sensors are described and discussed in the present paper, with examples based on recent state-of-the art CMOS imagers.     

实现空间高分辨成像的数字域时间延迟积分CMOS相机设计及分析

为使具有诸多优点的互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器更适合空间高分辨成像,寻求空间高分成像的新型技术,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域时间延迟积分(TDI)算法。同时研究数字域TDICMOS相机成像质量,详细分析了其噪声来源和特性,并建立了数字域积分图像信噪比(SNR)与积分级数的关系模型,讨论了积分时间和光照度对SNR的影响。最后利用设计的IBIS5-B-1300卷帘数字域TDI CMOS原理样机开展验证实验。实验结果表明本文算法能明显提高成像质量,数字域10级积分图像SNR由未积分的19.07dB提高至29.21dB,而且级数越大,SNR越大。理论分析和实验验证均表明M级卷帘数字域TDI可使图像SNR提高M(σAD+σCMOS)/(MσAD+槡MσCMOS)倍,其中σAD和σCMOS与选择的CMOS传感器有关,另外σCMOS还受积分时间和光照度的影响。     

基于4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器总剂量辐射效应研究

对基于4晶体管像素结构互补金属氧化物半导体图像传感器的电离总剂量效应进行了研究,着重分析了器件的满阱容量和暗电流随总剂量退化的物理机理.实验的总剂量为200 krad(Si),测试点分别为30 krad(Si),100 krad(Si),150 krad(Si)和200 krad(Si),剂量率为50 rad(Si)/s.实验结果发现随着辐照总剂量的增加,器件的满阱容量下降并且暗电流显著增加.其中辐照使得传输门沟道掺杂分布发生改变是满阱容量下降的主要原因,而暗电流退化则主要来自于浅槽隔离界面缺陷产生电流和传输门-光电二极管交叠区产生电流.实验还表明样品器件的转换增益在辐照前后未发生明显变化,并且与3晶体管像素结构不同,4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器没有显著的总剂量辐照偏置效应.     

Automation of CMOS technology migration illustrated by RGB to YCrCb analogue converter

The paper illustrates a practical example of technology migration applied to the colour space converter realized in CMOS technology. The element has analogue excitation and response signals expressed in current mode. Such converter may be incorporated into an integrated vision sensor for preconditioning acquired image data. The idea of a computer software tool supporting the automated migration and design reuse is presented as the major contribution. The mentioned tools implement the Hooke-Jeeves direct search method for performing the multivariable optimization. Our purpose is to ensure transferring the circuit between usable fabrication technologies and preserving its functional properties. The colour space converter is treated as the case study for performance evaluation of the proposed tool in cooperation with HSPICE simulation software. The original CMOS technology files for Taiwan semiconductor (TSMC) plant were utilized for the research. The automated design migration from 180 nm into 90 nm resulted with obtaining compact IC layout characterized by a smaller area and lower power consumption. The paper is concluded with a brief summary that proves the usability of the proposed tool in designing CMOS cells dedicated for low power image processing.     

CMOS图像传感器在空间技术中的应用

介绍了CMOSAPS(有源像素图像传感器 )的原理与结构 ,并介绍了发展现状。详细分析比较了CMOS图像传感器相对CCD的性能特点 ,讨论了CMOS图像传感器在空间技术中的可应用领域 ,尤其是在微纳型卫星遥感成像、姿态敏感方面替代CCD的应用可行性     

用于软X射线图像诊断的CMOS探测系统

通过将闪烁体光纤面板与CMOS图像传感器耦合,研制了在线诊断X射线图像的CMOS探测系统。通过XOP软件计算,确定了响应能区为1~10keV的CsI闪烁体厚度为30μm。在微点X射线源平台上,基于标准的Typ 18-d型分辨率板对CMOS探测系统的空间分辨能力进行了实验测试,结果为60μm。在神光Ⅲ原型激光装置上,利用该套CMOS探测系统在流体力学不稳定性与混合实验中对钛背光源的光谱进行了诊断,获得了清晰的类氢和类氦光谱图像。数据分析显示,实测的谱分辨为442,与理论分析符合较好。CMOS探测系统小巧轻便,性价比高,适合各大高校与科研院所用于在线诊断软X射线图像。     

A 128 × 128 Pixel Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor with an Improved Pixel Architecture for Detecting Modulated Light Signals

A complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor for the detection of modulated light under background illumination has been developed. When an object is illuminated by a modulated light source under background illumination the sensor enables the object alone to be captured. This paper describes improvements in pixel architecture for reducing fixed pattern noise (FPN) and improving the sensitivity of the image sensor. The improved 128 × 128 pixel CMOS image sensor with a column parallel analog-to-digital converter (ADC) circuit was fabricated using 0.35-mm CMOS technology. The resulting captured images are shown and the properties of improved pixel architecture are described. The image sensor has FPN of 1/28 that of the previous image sensor and an improved pixel architecture comprising a common in-pixel amp and a correlated double sampling (CDS) circuit. The use of a split photogate increases the sensitivity of the image sensor to 1.3 times that of the previous image sensor.