自适应光强高动态范围CMOS图像传感器的研究

摘要

由于成本、功耗以及集成度方面的优势，CMOS图像传感器已经逐步成为现代成像系统的研究热点。论文从CMOS图像传感器动态范围增强措施入手，通过电路仿真设计了一种新的曝光控制方案，该方案能精确锁定成像目标所处环境的光照强度，实现了曝光时间的自动调整。
　　论文首先介绍了CMOS图像传感器的基本框架，包括三种标准工艺下常用的集成光电二极管、三种常用的像素读出电路结构、模拟域和数字域的相关双采样电路以及图像传感器中常用的四种模数转换器架构。
　　然后，论文详细讨论了现有的动态范围增强措施，介绍了自动重置、图像压缩和自适应积分这三种方法的工作原理和主要缺陷，详细推导了二次曝光和多重曝光的动态范围与信噪比公式，从而解释了分段曝光模式下信噪比突降的原因。在分析已有动态范围增强技术优劣的前提下，论文提出了一种改良后的曝光控制方案。
　　接着，论文基于0.18μm BiCMOS工艺，逐步完成了读出链上各模拟电路环节的仿真设计。图像传感器的读出链是指从像素到信号处理电路的一整条图像信号处理电路链。论文使用由N+有源区和P衬底组成的N+-Psub光电二极管作为光电探测器，像素读出电路采用源随结构，源随像素的重置不完全问题是这一部分的设计重点。论文的信号处理电路包含电荷放大器、单斜率模数转换器以及数字相关双采样电路，电荷放大器是兼具信噪比增强功能的采保电路，单斜率模数转换器负责图像数据转换、为光强检测提供数据支撑，数字相关双采样电路则是抑制固定模式噪声的重要手段。
　　最后，论文讨论了时序控制电路部分的仿真设计，并完成了图像传感器的整体仿真。传统图像传感器的时序电路包括分频器和阵列扫描电路，通常只是读出链的辅助电路。但是在论文设计的自适应光强CMOS图像传感器中,由计数器组成的光强检测电路和以可编程分频器为核心的曝光控制电路是时序设计的关键。图像传感器的整体仿真分强光环境、弱光环境和中等光强环境三种情况，仿真对比了传统曝光模式和自适应曝光模式的成像结果，仿真结果符合设计预期。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 CMOS图像传感器概述

2.1 像素单元

2.2 信号处理电路

2.3 本章小结

第三章 图像传感器的动态范围及其增强技术

3.1 自动重置

3.2 图像压缩

3.3 曝光控制

3.4 曝光控制改良

3.5 本章小结

第四章 读出链设计

4.1 像素单元设计

4.2 信号处理电路设计

4.3 本章小结

第五章 时序电路设计及整体仿真

5.1 时序电路设计

5.2 整体仿真

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果