微光照條件下CMOS圖像感測器設計研究

《微光照條件下CMOS圖像感測器設計研究》是依託天津大學，由高靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微光照條件下CMOS圖像感測器設計研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：高靜
• 依託單位：天津大學

項目摘要

微光夜視技術的核心是微光圖像感測器。微弱光照條件下像素光電回響物理機理、像素內光生電荷倍增機制和高信噪比讀出方法是目前微光圖像感測器發展亟待解決的三個基礎理論問題。本項目研究內容包括：基於標準CMOS 工藝平台，研究微弱光照條件下像素光生電荷的收集、轉移的物理機理與數學模型；研究在像素中通過電離電荷碰撞倍增機制提高光電器件的量子效率和信噪比的方法，以及相應的光電器件結構和工藝實現方法；研究通過多次曝光採樣機制，在讀出電路領域實現圖像信號信噪比提升的理論和方法。建立一個完整的微光圖像感測器數學模型，完成與上述理論相對應的高量子效率光電器件和高精度讀出電路的設計和最佳化。最終在光電回響物理模型、核心電荷倍增器件與讀出電路上突破微光圖像感測器的發展瓶頸，並取得創新成果，為新一代微光圖像感測器設計提供可行的理論指導和技術來源。

結題摘要

本項目以CMOS圖像感測器套用於微光條件下面臨的基本問題為核心，基於標準CMOS 工藝平台，研究微弱光照條件下像素光生電荷的收集、轉移的物理機理與數學模型；研究在像素中通過電離電荷碰撞倍增機制提高光電器件的量子效率和信噪比的方法，以及相應的光電器件結構和工藝實現方法；研究通過多次曝光採樣機制，在讀出電路領域實現圖像信號信噪比提升的理論和方法。本項目建立了完整的微光圖像感測器數學模型，並完成與上述理論相對應的高量子效率光電器件和高精度讀出電路的設計和最佳化。本項目在感測器模型和像素結構研究中提出了基於CMOS工藝埋溝型CCD結構，實現了電荷在矽體內轉移；提出了適用於微光探測的半浮柵1T有源像素結構，在該像素與傳統4T有源像素結構相比可達到更高的填充因子和光敏度。在感測器系統和高信噪比讀出電路設計中，提出了粗細量化結合的低功耗數字域累加方案，將像素陣列分成粗量化像素陣列和細量化像素陣列。粗量化像素陣列負責量化高位，細量化陣列負責量化低位，當不同像素對相同物體曝光，只有低K-bit數字碼發生變化，高M-bit保持不變，最後完整的量化碼值由粗量化高位和細量化低位組成，這樣降低了數據總量，從而節省功耗；針對高精度Cyclic ADC中失配電容和有限運放增益的問題，提出了數字域補償閾值點電壓的校準方案，校準時需要斷開ADC外部輸入，接入測試信號來提取誤差參數，同時將誤差參數存儲在存儲器里，在正常轉換輸入信號時，調用相應的誤差來補償輸出；提出了一種適合微光圖像感測器的低功耗高精度採用硬體復用技術的拓展量化電路，ADC的運行過程分為粗量化和細量化兩個階段。在粗量化階段，電路以二階增量型∑-Δ ADC的結構工作，實現高有效位並產生余誤差電壓。接著在細量化階段，電路通過硬體復用轉變為兩級Cyclic ADC結構，量化余誤差電壓，從而得到低有效位。將兩部分結合，得到最終數字輸出，拓展量化技術的套用，顯著減少了轉換時間，提升了轉換速率。