本文選題：CMOS圖像傳感器 + 寬動(dòng)態(tài)范圍��； 參考：《吉林大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：本論文的主要內(nèi)容為設(shè)計(jì)了一款使用電荷補(bǔ)償型光電晶體管的超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器,并基于傳感器芯片設(shè)計(jì)制成了完整的成像系統(tǒng),性能與成像測(cè)試的結(jié)果都顯示該系統(tǒng)為高動(dòng)態(tài)范圍成像提供了一種很好的解決方案。本論文首先在分析已有的高動(dòng)態(tài)范圍成像的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出一種應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的新型光電器件----電荷補(bǔ)償型光電晶體管。該晶體管設(shè)計(jì)完全基于標(biāo)準(zhǔn)的商用CMOS工藝,在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中無(wú)需任何額外的工藝結(jié)構(gòu),具有良好的通用性。所設(shè)計(jì)的電荷補(bǔ)償型光電晶體管在傳統(tǒng)的光電二極管的基礎(chǔ)之上,增加了一個(gè)被稱之為補(bǔ)償二極管的光電二極管,其正極接至可調(diào)電壓源上,負(fù)極與主光電二極管的負(fù)極直接相連。這樣將其應(yīng)用于有源像素結(jié)構(gòu)(APS)時(shí),當(dāng)入射光強(qiáng)比較弱或積分時(shí)間比較短時(shí),兩個(gè)光電二極管均處于反偏壓工作狀態(tài),共同作為光生電流源,從像素電容抽取電荷。這種方式?jīng)]有因?yàn)橐胄陆Y(jié)構(gòu)而降低實(shí)際的像素的填充因子,因此保持了其在弱光下的響應(yīng)率。而當(dāng)入射光強(qiáng)較強(qiáng)或積分時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),補(bǔ)償二極管轉(zhuǎn)入正向?qū)顟B(tài),通過(guò)電壓源向像素電容快速地補(bǔ)充電荷直至與主光電二極管的光生電流達(dá)到平衡狀態(tài)。平衡點(diǎn)的高低只與入射光強(qiáng)有關(guān),且與入射光強(qiáng)的大小呈對(duì)數(shù)響應(yīng),像素輸出不易飽和,從而大大地拓展了在強(qiáng)光下的動(dòng)態(tài)范圍。器件仿真和測(cè)試結(jié)果顯示,這種新型光電器件可探測(cè)光強(qiáng)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了167.1d B,已經(jīng)接近了自然場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍。本文基于電荷補(bǔ)償型光電晶體管設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的圖像傳感器芯片,并針對(duì)器件測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,尤其是在極強(qiáng)光照下的溫度和寄生電阻等所帶來(lái)的影響進(jìn)行了深入分析,并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償手段。在成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,我們針對(duì)傳感器特殊的光電響應(yīng)曲線提出了一種近似還原算法,在保證暗場(chǎng)信號(hào)細(xì)節(jié)不丟失的前提下更多地容納了強(qiáng)光下物體的成像細(xì)節(jié),實(shí)際成像結(jié)果顯示其具有很好的高動(dòng)態(tài)成像能力。此外,針對(duì)原型系統(tǒng)成像過(guò)程中的噪聲等問(wèn)題,我們也提出了相應(yīng)的優(yōu)化手段,并設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的12bit Cyclic ADC,仿真結(jié)果顯示其有效精度超過(guò)10bit,可以很好地應(yīng)用于圖像傳感器系統(tǒng)。
[Abstract]:The main content of this thesis is to design an ultra-wide dynamic range image sensor using charge compensation phototransistor, and design a complete imaging system based on sensor chip. Both performance and imaging test results show that the system provides a good solution for high dynamic range imaging. Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the existing high dynamic range imaging, this paper presents a novel photoelectric device, charge compensated phototransistor, which is used in CMOS image sensor. The design of the transistor is completely based on standard commercial CMOS process, and no extra process structure is needed in the process of implementation, so it has good versatility. On the basis of the traditional photodiode, the designed charge compensated phototransistor adds a photodiode called the compensation diode, whose positive pole is connected to the adjustable voltage source. The negative electrode is directly connected to the negative electrode of the main photodiode. When the incident light intensity is weak or the integration time is short, the two photodiodes are in the state of reverse bias and are used as photo-generated current sources to extract charges from pixel capacitors. This method does not reduce the pixel filling factor because of the introduction of the new structure, so it maintains its response rate under weak light. When the incident light intensity is strong or the integration time is longer, the compensation diode is transferred to the positive pass state, and the voltage source is used to rapidly replenish the charge to the pixel capacitance until the photo-generated current of the main photodiode reaches equilibrium state. The balance point is only related to the intensity of the incident light, and is logarithmic response to the intensity of the incident light. The pixel output is not easy to saturate, thus greatly expanding the dynamic range under the strong light. The simulation and test results show that the dynamic range of the new optoelectronic device detectable light intensity reaches 167.1 dB, which is close to the dynamic range of natural scene. In this paper, the corresponding image sensor chip is designed based on the charge compensated phototransistor, and the problems found in the device test, especially the influence of temperature and parasitic resistance under extremely strong illumination, are analyzed deeply. And put forward the corresponding compensation means. In the design of the imaging system, we propose an approximate reduction algorithm for the special photoelectric response curve of the sensor, which can accommodate the imaging details of the object under strong light without losing the details of the dark field signal. The actual imaging results show that it has good dynamic imaging capability. In addition, in view of the noise in the imaging process of the prototype system, we also put forward the corresponding optimization methods. A novel 12bit cyclic ADC for CMOS image sensor is designed. The simulation results show that the precision is over 10 bits, and it can be applied to the image sensor system.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212;TP391.41

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本文編號(hào)：2023853