基于时间域的AER异步图像传感器像素电路设计

摘要

CMOS图像传感器向着高速、高精度、大动态范围的方向不断发展,已经广泛应用于视觉成像的各个领域。虽然基于帧模式的传统图像传感器具有像素面积小,填充因子高,技术工艺成熟等优势,但是它也存在固有的不足,如信息冗余、时间精度低、动态范围低等,限制了其在一些领域的应用。人们通过对生物视觉的研究,提出了硅视网膜的概念,即一种采用大规模集成电路实现的仿生视觉系统。本文研究的基于时间域的AER异步图像传感器就是一种仿生视觉成像的图像传感器,它具有动态范围大、数据冗余量低、时间精度高等特点。
　　本论文首先研究了像素变化探测单元和曝光测量单元的工作原理,并完成了行为级建模仿真。其次,对异步像素结构中时间误差的来源进行了研究,建立了完整的数学模型,分析了影响时间误差的几个主要因素,并提出了一种全新的时间修正误差方法。第三,通过建立一个非线性响应下相关双采样PWM像素的数学模型,研究了电路的FPN、复位噪声、散粒噪声等对PWM成像精度的影响,得出了参考电压对误差的影响,并讨论了动态范围和速度之间的折中关系;最后,完成了像素变化探测单元、曝光测量单元、修正单元、以及仲裁电路和读出控制电路的设计与仿真验证,并对一个8×8像素阵列进行了仿真验证。
　　本文所设计的基于时间域的AER异步像素具有变化探测与光强测量的双重功能。Matlab的仿真结果表明,对于采用修正结构的像素阵列,当光强范围在103~105lx的范围时,时间误差引入的相对误差最大不超过0.31％,而如果不采用修正结构,这个误差可能的范围0.4%~28%,因此该结构可以有效的减弱强光和事件冲突率高的条件下的成像误差,提高图像传感器的精度。一个8×8像素阵列的电路仿真结果表明,该像素阵列的变化探测单元可以对光照相对变化超过12%的像素响应,曝光测量单元可以实现相关双采样的PWM形式异步测量光照强度,可以完成视觉信息的采集、处理、输出,适用于高速、高动态范围视觉领域。

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第一章 绪论

1.1图像传感器概述

1.2时间域CMOS图像传感器概述

1.3生物视觉的概述

1.4 基于AER的图像传感器概述

1.5 选题意义

1.6 论文内容安排

第二章 基于时间域的AER异步CMOS图像传感器的原理及行为级建模

2.1实时探测光强变化情况的像素结构

2.2 采用相关双采样的PWM光强测量像素结构

2.3 基于时间域的AER异步CMOS像素

2.4 基于时间域的AER异步CMOS图像传感器系统

2.5 本章小结

第三章 一种应用于高精度AER异步CMOS图像传感器的误差修正方法

3.1 基于时间域的AER异步CMOS图像传感器量化时间误差分析

3.2 修正的像素结构

3.3 修正的系统结构

3.4 系统级建模仿真结果的分析与对比

3.5 本章小结

第四章 非线性响应下采用CDS的时间域PWM像素的时间误差模型

4.1 像素结构与原理

4.2 非线性响应引入的时间误差

4.3 噪声引入的时间误差

4.4 动态范围与速度的考虑

4.5 小结

第五章 基于时间域的AER异步CMOS像素的电路设计与仿真

5.1 基于时间域的AER异步CMOS像素单元电路设计

5.2 行列仲裁器和地址编码器的电路设计

5.3 读出与控制电路设计

5.4 像素阵列设计

5.5 本章小结

第六章 总结

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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