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。     

大面阵CMOS APS相机系统的设计

基于大面阵CMOS APS图像传感器LUPA-4000设计出一个相机系统.通过对LUPA-4000驱动时序的分析,选用FPGA作为驱动信号产生载体,使用VHDL硬件语言设计了包括CMOS传感器驱动、通信、数据转换等一体化的程序,并分别对各个程序模块进行说明.设计了系统硬件电路,并加载程序对CMOS传感器驱动信号进行测试,给出了控制像素积分信号的测试波形.经测试相机电路系统与计算机通信正常,与下位机数据传输准确无误,系统整体运行稳定可靠.安装光学系统后获取了高质量图像.     

大面阵CMOS APS相机系统的设计

基于大面阵CMOS APS图像传感器LUPA-4000设计出一个相机系统.通过对LUPA-4000驱动时序的分析,选用FPGA作为驱动信号产生载体,使用VHDL硬件语言设计了包括CMOS传感器驱动、通信、数据转换等一体化的程序,并分别对各个程序模块进行说明.设计了系统硬件电路,并加载程序对CMOS传感器驱动信号进行测试,给出了控制像素积分信号的测试波形.经测试相机电路系统与计算机通信正常,与下位机数据传输准确无误,系统整体运行稳定可靠.安装光学系统后获取了高质量图像.     

基于高速CMOS图像传感器的空间瞬态光探测

(以CMOS图像传感器LUPA-1300-2为对象,研究了多斜率积分功能)在空间瞬态光探测系统中的应用.以ACTEL公司APA600 Flash型FPGA为硬件载体,分析设计了其驱动控制,验证了LUPA-1300-2的易操作性,结果表明,该功能可以降低系统的复杂程度和提高系统观测的动态范围,有利于观测瞬态光点周围的瞬间变化,从而提高系统的可靠性和信息收集能力.     

基于高速CMOS图像传感器的空间瞬态光探测

（以CMOS图像传感器LUPA-1300-2为对象,研究了多斜率积分功能）在空间瞬态光探测系统中的应用.以ACTEL公司APA600 Flash型FPGA为硬件载体,分析设计了其驱动控制,验证了LUPA-1300-2的易操作性,结果表明,该功能可以降低系统的复杂程度和提高系统观测的动态范围,有利于观测瞬态光点周围的瞬间变化,从而提高系统的可靠性和信息收集能力.     

帘幕式CMOS全局曝光成像技术

为了消除面阵CMOS航空相机高速成像时帘幕快门效应对成像质量的影响,分析了CMOS成像原理,开展了基于高速中心式机械快门与面阵CMOS图像传感器协同工作的全局曝光成像模式研究.建立了该成像模式下的航空高分辨率成像系统的信噪比模型与前向像移模型,并基于信噪比模型与前向像移模型论证存在合理的曝光时间参数.设计了体积小、质量轻、电驱动、曝光时间可准确控制的高速中心式机械快门,最短曝光时间可达1/2 000s,快门效率最高达80%.对采用自主研发的国产CMOS图像传感器的航空摄影相机参数进行验证计算,并进行直升机载人带飞拍摄实验.影像结果表明:该成像模式曝光时间参数论证正确,影像无拉伸、扭曲及拖尾现象,相机动态传递函数为0.21(奈奎斯特截止频率处),能够满足实际应用需求.     

CMOS传感器紫外敏化膜层的厚度优化及其光电性能测试

采用真空热阻蒸方式在CMOS图像传感器感光面上镀制不同厚度性比价高的Lumogen薄膜.研究发现不同Lumogen薄膜厚度的CMOS传感器的暗电流噪声未发生明显变化,说明真空热蒸发方式对互补金属氧化物半导体器件本身未造成热损伤;光响应非均匀度随膜厚增加而增大;动态范围却随膜厚增加而减小;量子效率随膜厚增加呈现先增大后减小.同时,研究发现敏化膜层最佳厚度为389nm,此时CMOS传感器的量子效率提高了10%,且光响应非均匀度,动态范围均在相对较好的范围内.     

可见光条纹相机绝对灵敏度测量

为将可见光条纹相机应用于绝对测量领域,建立了可见光条纹相机绝对灵敏度测试方法。通过对条纹相机扫描成像过程的推导,定义了条纹相机的量子效率为某一波长光入射时,输出图像净计数与输入光子数之比。使用多模光纤分束器,实现了条纹相机输入光子数的定量,用经过标定的光电倍增管监测入射光子数,建立了条纹相机量子效率测试系统。利用该系统实际测试了某条纹相机的量子效率,结果为0.7 counts/photon。对测量环节的不确定度分析表明,测试结果不确定度在5%之内。这种方法在评估Z箍缩可见光条纹相机诊断系统的灵敏度中发挥了重要作用,也可应用于其他需要确定条纹相机可见光灵敏度的场合。     

用于LiDAR的16×1列阵CMOS单光子TOF图像传感器

设计了一款用于激光雷达的CMOS单光子飞行时间图像传感器.该传感器集成了16个结构优化的单光子雪崩二极管像素和一个双计数器结构的13-bit时间数字转换器电路.每个像素单元包括一个新型的主动淬灭-恢复电路.该设计通过优化器件的保护环来降低器件的暗噪声;带有反馈回路的主动淬灭-恢复电路用于降低死时间;时间数字转换器采用双计数器结构来避免计数器的亚稳态导致的计数错误.基于CMOS 180nm标准工艺制作了该传感器.测试结果表明:在1V的过偏压下,单光子雪崩二极管列阵的中值暗计数率为8kHz;在550nm波长光照下探测效率最高,为18%;设计的主动淬灭-恢复电路将死时间有效降低至8ns;时间数字转换器的分辨率为416ps,帮助整个系统实现厘米级距离分辨率.该传感器在0.5m距离下实现了空间分辨率为320×160的深度图像,其测距的最大非线性误差为1.9%,准确度为3.8%.     

数码相机CMOS图像传感器的特性参数与选择

介绍了数码相机的核心器件———CMOS图像传感器的特性参数和在数码相机设计过程中CMOS图像传感器的选择。选择CMOS图像传感器,不仅需要考虑包括传感器的尺寸、像素总数和有效像素数、最小照度、动态范围、灵敏度、分辨力、光电响应不均匀性以及光谱响应等在内的特性参数,而且还要考虑电源管理和功耗、模数转换位数、开发的简便性以及成本等因素。     

高速多光谱 TDI CCD 成像电路系统

为实现多光谱TDI CCD的高速高信噪比成像,利用可空间应用的多光谱TDI CCD传感器研制出了高性能成像电路系统。该系统以现场可编程门阵列（ FPGA）为核心逻辑单元,带有RS422外围通信控制接口,并采用CAMERALINK接口输出图像数据。系统具有动态推扫成像的能力,可同时输出全色和彩色两种模式的图像数据。利用灰度条纹的靶标对传感器的3个多光谱（ R、G、B）感光区标定白平衡,利用彩色条纹的靶标对系统进行成像测试,在驱动频率为15 MHz的情况下,系统单片CCD输出的图像数据率达到1.2 Gbps。试验结果表明,获取全色图像的信噪比达到了53.56 dB,各多光谱图像的信噪比较高的也在40 dB以上,满足空间对地高分辨多光谱遥感成像的技术指标要求,对高速空间多光谱遥感相机的研制具有借鉴意义。     

面向实时视觉芯片的高速CMOS图像传感器

提出了一种面向实时视觉芯片的高速CMOS图像传感器.该高速图像传感器主要包括CMOS像素单元阵列、相关双采样(CDS)阵列、可编程增益放大(PGA)阵列、单次比较模数转换(ADC)阵列和控制模块.该传感器集成了光信号采集和行并行信号处理等功能,以大于1000 frame/s的速度输出数字信号或数字图像,同时实现了行并行...     

多维立体化高速摄影测量系统实时精准控制技术

在飞行试验过程中,高速摄影测量站点呈现数量多、分布散且人机分离的特点,为了同时获取起飞着陆段2个分离区域的多目标实时测量数据,基于组播概念提出了一种分布式高速摄影网络系统,设计了一种高效的无关联信号高速像机触发判据算法,通过实时获取多种机载以及动平台数据,通过图像处理的方法完成多维立体化高速摄影测量系统的实时精准智能控制与海量数据的实时卸载,实现8台不同类型高速像机的测试影像智能获取,测量系统误触发率降低至0.76%,有效提高了工作效率,保证了飞行试验数据的准确性和高效性。     

Development of high-speed video cameras for Dynamic PIV

The most promising next generation Image Velocimtry (IV) is the high-speed Dynamic PIV. It requires the development of innovative high-speed video camera sensors. We started by specifying the required performance of these new sensors, for measurements in air and water flows. These criteria founded on the most recent developments in PIV algorithms and incorporate results from a large questionnaire survey of users of high-speed video cameras in Japan. The results suggest that the followings are required: (1) frame rate of 1,000,000 fps, (2) pixel count of 1,000,000 pixels, (3) frame storage capacity of 100–200 frames for tracing a single event and 10,000 frames for turbulent measurements, (4) gray levels of 4–8 bits for PTV; 12 bits for observation. Finally, we reviewed the state of the art of high-speed video-image sensors. Currently the standard parallel-readout sensors can operate at 1 Kfps with a pixel count of approximately 1 Kpixels. The In-situ Storage Image Sensor (ISIS) developed by the authors has recently achieved frame rates of 1 Mfps.     

Radiation Effects Due to 3 MeV Proton Irradiations on Back-Side Illuminated CMOS Image Sensors

Benefitting from the higher quantum efficiency and sensitivity compared with the front-side illumination(FSI)CMOS image sensors(CISs), backside illumination(BSI) CMOS image sensors tend to replace CCDs and FSI CISs for space applications. However, the radiation damage effects and mechanisms of BSI CISs in the radiation environment are not well understood. We provide radiation effects due to 3MeV proton irradiations of BSI CISs dedicated to imaging by the analyses of mean dark current increase, dark current nonuniformity and full well capacity in pixel arrays and isolated photodiodes. Additionally, the present annealing certifies the radiationinduced defects, which are responsible for the parameter degradations in BSI CISs.     

Hydroxyl radical imaging at kHz rates using a frequency-quadrupled Nd:YLF laser

Laser-induced fluorescence imaging of hydroxyl radicals has been an important tool in combustion research for more than twenty years. More recently, high frame rate imaging of hydroxyl radicals has been demonstrated using Nd:YAG-pumped dye laser systems. This work describes how a high repetition rate frequency-quadrupled Nd:YLF laser emitting at 263 nm can be used for laser-induced fluorescence imaging of hydroxyl radicals with less complexity. Hydroxyl radicals are excited in the A–X (2,0) band and redshifted fluorescence emission is detected with an image intensified CMOS camera at kHz frame rates. Furthermore, a strategy for high-speed temperature imaging is described.     

γ射线电离辐射对商用CMOS APS性能参数的影响

研究了γ射线电离辐射效应对商用CMOS有源像素传感器(APS)性能参数的影响,着重分析了量子效率、转换增益、暗电流、坏点和脉冲颗粒噪声等参数。研究结果表明:当受到1 000 Gy辐射后,APS失去工作能力,无信号输出或像素灰度值仅为0,110,255 DN。60Coγ射线的离位截面约为10-25cm2(0.1 b)。当剂量率低于58.3 Gy/h且辐照时间较短时,辐射对量子效率及转换增益无影响,坏点产生数为0,总剂量效应使3T-APS的本底噪声升高到4.62 DN但对4T PPD APS几乎无影响。脉冲颗粒噪声引起的各灰度值像素数量分布呈泊松分布,并与剂量率正相关。     

基于机器视觉的高速带钢孔洞检测系统

针对宝钢冷轧1420酸轧联合机组带钢孔洞缺陷在线检测需求，结合机组现场条件，自主开发了恶劣危险环境下的高速带钢孔洞检测系统。该系统以机器视觉技术为基础，配置高性能透射式照明光源和高速线扫描CCD图像传感器，能够获得高质量的带钢图像；系统检测软件采用快速高效的目标识别和边缘检测算法，可在30ms内完成1幅图像的处理计算，实时判定孔洞的存在与否，并将检测结果发送至服务器。系统采用C/S模式作为网络架构，实现检测数据在客户端和服务器之间的可靠传递。系统两年多的上线运行证明：该系统在冷轧机出口十分恶劣的环境条件下，可长期连续工作，准确高效地检出带钢孔洞缺陷，具有卓越的检测性能和良好的稳定性。     

高灵敏度APS CMOS图像传感器光谱探测技术研究

主动像元型(APS)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的成像性能已经接近电荷耦合器件(CCD)的成像性能,在光谱成像领域有很好的应用前景。讨论了CMOS器件用于光谱探测的若干问题,建立了光谱成像系统的噪声模型并进行了实际噪声测试,分析了基于CMOS探测器的成像光谱仪的灵敏度水平;结合CMOS器件的结构和特性给出了图像的校正方法。搭建了包括光学、电子学的完整光谱成像系统,进行了光谱成像试验,验证了灵敏度分析和光谱校正方法。结果表明,CMOS探测器可以满足高光谱成像的灵敏度要求,可用于高光谱探测。     

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。