CMOS图像传感器动态范围扩展技术的研究与设计

摘要

限制CMOS图像传感器性能的一个主要问题是其有限的动态范围。本文以CMOS图像传感器动态范围扩展技术为核心，对常见的动态范围扩展技术进行了深入的研究，并进行了创新。提出了一种基于人眼视觉特性的多次采样图像合成算法和一种新型的条件重置动态范围扩展技术。 首先简要介绍了光电二极管的物理基础和电路模型，从对CMOS图像传感器噪声的分析出发，介绍了可以用于分析工作在积分模式的CMOS图像传感器的数学模型。而后从动态范围、信噪比、关键参数选取标准的角度对三种积分型动态范围扩展技术——多次采样、条件重置、势阱容量调节进行了深入的研究。对非积分型动态范围扩展技术——对数扩展进行了简要的介绍和分析。并以多次采样技术为参照，对四种常见的动态范围扩展技术进行了比较分析。 针对多次采样技术中的多曝光图像合成问题，提出了一种基于人眼视觉特性的多次采样图像合成算法。首先简要介绍了常见多次采样图像合成算法——线性加权合成、对数压缩合成，并对其存在的问题进行了简要的说明。而后对人眼视觉特性进行了深入的分析，据此提出了采用S状函数模拟人眼视觉特性曲线的方法。然后，依据人眼对灰度级的分辨能力特性，提出了一种多次采样图像曝光时间判决算法。以视觉特性益线模拟和曝光时间判决算法为基础，提出了一种基于人眼视觉特性的多次采样图像合成算法。最后通过与常见多次采样图像合成技术的实验结果进行比较，证明了算法的有效性。 针对传统条件重置技术存在的问题，提出了一种新型的条件重置动态范围扩展技术，克服了传统条件重置技术难于应用在高动态范围领域的问题，解决了需要在像素单元中加入独立计数器的问题。对新型条件重置技术的关键问题——参考电压与采样时间序列的选取方法进行了深入的研究，并给出了一般性的结论。最后，依据新型条件重置技术，设计了一种动态范围达108dB的像素单元电路，并进行了仿真实验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景

1.1.1 CMOS图像传感器概述

1.1.2 CMOS图像传感器动态范围扩展技术的研究现状

1.2本文的研究内容与组织结构

第2章CMOS图像传感器的数理模型

2.1光电二极管的物理基础

2.1.1光伏效应

2.1.2光电二极管的伏安特性

2.1.3光电二极管的电路模型

2.2 CMOS图像传感器中的噪声

2.2.1电子系统中的常见噪声

2.2.2 CMOS图像传感器中的噪声

2.3 CMOS图像传感器的数学模型

2.4本章小结

第3章常见动态范围扩展技术的性能分析

3.1多次采样技术

3.2条件重置技术

3.3对数扩展技术

3.4势阱容量调节技术

3.5动态范围扩展技术的比较分析

3.5.1条件重置与多次采样

3.5.2对数扩展与多次采样

3.5.3势阱容量调节与多次采样

3.6本章小结

第4章多次采样图像合成算法研究

4.1常见的多次采样图像合成算法

4.1.1线性加权合成

4.1.2对数压缩合成

4.2人眼的视觉特性

4.2.1人眼的亮度适应特性

4.2.2人眼对灰度的分辨能力

4.3基于人眼视觉特性的图像合成算法

4.3.1像素单元的曝光时间判决算法

4.3.2 S状函数模拟人眼视觉特性曲线

4.3.3图像合成算法

4.4实验与结果分析

4.5本章小结

第5章基于新型条件重置技术的像素单元设计

5.1普通条件重置技术及其问题

5.2新型条件重置技术的设计与实现

5.2.1新型条件重置技术的基本方法

5.2.2采样时间序列与参考电压的选取

5.2.3像素单元电路设计与仿真实验

5.3本章小结

第6章全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果