基於壓縮感知的高效CMOS圖像感測器研究

《基於壓縮感知的高效CMOS圖像感測器研究》是依託天津大學，由姚素英擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於壓縮感知的高效CMOS圖像感測器研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姚素英
• 依託單位：天津大學

項目摘要

基於壓縮感知的CMOS圖像感測器將圖像壓縮與採集合併進行，可以從源頭上減少冗餘圖像數據的產生，是傳統視頻採集系統突破效率瓶頸的基礎性和關鍵性研究課題。CMOS工藝特徵尺寸的縮減為CMOS圖像感測器像素陣列和讀出處理電路內部集成壓縮功能奠定了技術基礎。本項目立足於CMOS圖像感測器設計，研究在圖像感測過程中消減冗餘數據的CMOS圖像感測器設計理論，研究時域和頻域冗餘數據識別、標記和消減的方法，研究與上述理論和方法相適應的高精度、低功耗、低面積占用的電路實現技術，最終建立基於壓縮感知的CMOS圖像感測器理論和方法模型，完成核心像素器件和處理電路的建模、設計、分析和最佳化，兼容實現CMOS圖像感測器高性能感測成像和高效率數據輸出處理。研究成果為小尺寸工藝下新一代高智慧型化CMOS圖像感測器晶片設計提供可行性理論指導和技術方法，並廣泛套用於圖像信息採集系統。

結題摘要

本項目基於壓縮感知的原理，致力於將圖像壓縮功能集成到圖像感測晶片上，具體從圖像感測器架構、像素結構、列級讀出與控制電路等方面展開了研究。在圖像感測器架構方面：提出了一種可以在混合域完成二維離散餘弦變換的CIS結構,並通過對其中雙存儲像素的研究，得出了增大存儲電容、減小源跟隨器寬長比可以降低由於像素讀出噪聲引起的誤差的結論。提出了一種基於地址-事件表達的實時視覺CMOS感測器實現方法，採用多模式的行仲裁及實時時間標記，有效減小讀出數據量，減小時域行間信息扭曲。在像素結構方面：針對四管有源像素在滾筒式曝光方式下的工作模式展開了研究，為了實現時域頻域冗餘消除的功能，在傳統四管有源像素的基礎上，添加獨立曝光管形成了五管有源像素結構。為了提升像素中的電荷傳輸效率，從理論和器件模型兩方面進行了研究，在理論方面，通過對光子回響、噪聲曲線和像素內電荷轉移的RC模型的分析，在轉移效率和轉移時間之間進行了折中，在器件模型上，對傳輸電晶體的溝道進行了非均勻摻雜和抗穿通（APT）注入，顯著的提升了電荷傳輸效率。在列級讀出電路方面：為了減小開關電容放大器中寄生電容對增益精度造成的影響，提出了一種對電容失配不敏感的精確乘二開關電容放大器。為了減小傳輸線電壓降對電流源造成的影響，提出了一種可用於高解析度CMOS圖像感測器的電流源，該電流源可以使流過MOS電晶體的電流保持穩定並不對功耗產生影響。為了減小噪聲和電荷注入的影響，課題組提出了一種低電荷注入型開關電流採樣保持電路，該結構能使電路的信噪比和總諧波失真得到顯著提升。提出了一種基於單採樣電容的相關雙採樣電路結構，完成了對相關雙採樣列噪聲消除特性、幀差求解判別單元的輸出特性以及像素讀出值與冗餘標誌位的同步輸出特性的仿真。進一步對基於電容耦合的列級幀差求解判別單元的電路和工作時序進行了設計。上述兩個電路模組消除了像素讀出值中復位噪聲和固定模式噪聲的干擾，接著利用模擬多路選擇器對各列的像素讀出值和冗餘標誌位進行了定址讀出。對可程式增益放大器和晶片級混合信號處理電路進行了設計。整合所有電路模組在Global Foundries進行了流片並對晶片進行了測試，測試結果滿足壓縮感知CIS的要求。