CMOS有源像素图像传感器的噪声控制技术

分析了CMOS有源像素图像传感器(APS)的噪声种类及各自产生的原因,介绍了对于不同噪声的噪声控制技术.     

基于组合滤波的CMOS图像固定模式噪声降噪算法

固定模式噪声(fixed pattern noise, FPN)是CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中一种常见的噪声,该噪声会对相机成像质量产生很大的影响。为提高道路病害检测图像的质量,提出基于组合滤波的CMOS图像传感器固定模式噪声去除算法。首先使用均值滤波提取出CMOS传感器相机固定模式噪声的空间分布特征。随后使用提出的线性滤波方式去除绝大部分固定模式噪声。最后使用非线性滤波方式去除椒盐噪声。测试结果表明,经过该算法处理后,3组测试图像的峰值信噪比(PSNR)在28.75～32.50之间,图像均方差由处理之前的9.66～11.28降至处理之后的5.45～7.59,处理后的图像均方差相比处理之前降低了27.68%～43.61%不等。该算法有效地降低CMOS传感器相机中固定模式噪声对图像质量的影响,同时较好地保留道路病害图像的主要纹理特征,并且相对于传统的对CMOS传感器相机标定方法具有更高的实用性。     

CMOS图像传感器固定模式噪声抑制新技术。

针对有源像素(APS)CMOS图像传感器中的固定模式噪声(FPN),设计了一种动态数字双采样的噪声抑制新技术;该技术比普通双采样技术具有更佳的抑制效果,其电路结构简单,适合于像素尺寸不断缩小的CMOS图像传感器发展趋势。通过MPW计划,采用Chartered0.35μmCMOS工艺制作了测试ASIC芯片,试验结果表明动态数字双采样技术有效抑制了FPN噪声。     

CMOS图像传感器非均匀性实时校正算法研究

讨论了两点校正法的原理和算法,并针对高速CMOS图像传感器LUPA300,以FPGA作为系统硬件载体设计了非均匀性校正系统,进行实时非均匀性校正.实验结果表明,该系统能够有效地实时校正图像传感器的非均匀性,输出图像质量较高.     

列级反馈降低复位噪声的CMOS图像传感器

提出了一种通过放大器和开关建立起反馈环路,基于列级反馈复位的低噪声CMOS图像传感器（CIS）。设计的CMOS图像传感器采用0.18μm CIS工艺进行了流片,测试结果表明,通过对噪声带宽与反馈放大器的带宽匹配,在复位脉冲下降沿时间为6µs的条件下,传感器的复位噪声减少25dB,满足低照度高速的安防监视系统的应用需求。     

用于CMOS图像传感器的列并行RSD循环ADC

设计了一种用于CMOS图像传感器的列并行RSD循环ADC.转换和采样同步进行,速度比传统的循环ADC提高了1倍,适用于高速实时系统的应用.将采样保持,精确乘2和像素信号的FPN噪声消除功能用1个运放和6个电容来实现,大大缩小了面积.采用RSD算法,不但降低了对比较器的精度要求,并且实现了较高的线性度.通过失调反向存储,基本消除运放失调引入的列FPN噪声.该ADC在0.18μm工艺下,实现了10位精度和500 KS/S的高转换速度.ADC的DNL= 0.5/-0.5 LsB,INL= 0.1/-1.5 LSB.     

CMOS图像传感器4T像素本底噪声分析

为了抑制本底噪声,提高图像动态范围,首先给出CMOS图像传感器的4T像素结构,分析该结构下的基本噪声源.然后,分别讨论了各本底噪声分量的形成及对信号的影响,并以噪声电子数的形式对各噪声分量进行了定量分析,提出了相应的噪声抑制措施,且进行了仿真验证.     

低噪声CMOS图像传感器的研究

近年来CMOS图像传感器在医疗和工业CT等领域中得到了越来越广泛的应用。作为CMOS图像传感器的前端处理电路,多通道积分器阵列的性能参数直接决定了传感器的成像质量并成为该领域的研究热点。本文的主要研究内容是低噪声探测器的研究。对芯片的测试结果表明,低噪声探测器的电路设计和版图设计均取得初步成功,基本达到预期的设计目标。     

面阵CMOS图像传感器响应非均匀性校正方法研究

非均匀校正是降低CMOS图像传感器固定模式噪声的有效方法。对面阵CMOS图像传感器的光响应特性测试表明其响应是非线性的。对非线性CMOS图像传感器分别进行两点校正、分段线性校正和多项式拟合校正。利用响应非均匀性（PRNU）作为校正效果的评价指标,对每种方法在整个光响应范围内的校正效果进行整体评估,对影响每种方法校正效果的因素进行总结。最后将每种方法中的最优处理情况选择出来,从PRNU指标、校正处理后的图像、参数获取时间、校正处理时间、校正参数存储空间等几个方面进行分析比较,最终判定二阶多项式拟合校正是最佳的处理方法。     

CMOS图像传感器中数字噪声抑制技术研究

设计了一种可以降低CMOS图像传感器(CIS)中数字噪声对模拟信号影响的时序.在时序控制电路中加入了门控时钟,使数字电路各模块可分时工作,在模拟电路采样阶段保持静止以抑制噪声.理论分析和测试结果表明,采样阶段噪声减小70%,其他时间噪声减小20%.     

混合域实现图像块矩阵变换的CIS像素读出噪声分析

为了研究双存储像素的读出噪声对混合域实现图像块矩阵变换的CMOS图像传感器(CIS)产生的误差影响,对其进行噪声分析。结合双存储像素的工作时序,对实现图像块矩阵变换过程中由于多次采样和双路存储而增加的kTC噪声、源跟随器的1/f噪声和热噪声进行分析并建立数学模型,总结出双存储像素读出噪声对一次块矩阵变换的误差影响。以二维离散余弦变换为例,通过CHRT 0.35 m标准CMOS工艺电路仿真并结合matlab/simulink对比验证,得出增大存储电容、减小源跟随器宽长比可以降低由于像素读出噪声引起的误差。结果证明,此方法可以有效降低噪声,指导电路设计。     

CMOS数字像素传感器噪声研究

在研究CMOS数字像素传感器(DPS)噪声特性的基础上,利用脉冲宽度调制(PWM)原理建立了关于PWM DPS完善的系统噪声数学模型。相比于传统CMOS图像传感器噪声研究,该模型考虑了系统中各像素单元积分时间不同和像素级模数转换的特点,推导出总噪声表达式。研究表明,低照度时噪声由暗电流散粒噪声主导,光强大时主要来源为光电二极管散粒噪声。模型中光电二极管散粒噪声与光照无关、暗电流散粒噪声与光照有关。研究结果表明针对PWM DPS系统,适当增大节点电容和比较器参考电压、改善比较器失配可有效降低噪声。     

Column readout circuit with improved offset mismatch and charge sharing for CMOS image sensor

High linearity and low noise column readout chain are two key factors in CMOS image sensor. However, offset mismatch and charge sharing always exist in the conventional column wise readout implementation, even adopting the technology of correlated double sample. A simple column readout circuit with improved offset mismatch and charge sharing for CMOS image sensor is proposed in this paper. Based on the bottom plate sampling and fixed common level method, this novel design can avoid the offset nonuniformity between the two buffers. Also, the single buffer and switched capacitor technique can effectively suppress the charge sharing caused by the varied operating point. The proposed approach is experimentally verified in a 1024 × 1024 prototype chip designed and fabricated in 55 nm low power CMOS process. The measurement results show that the linear range is extended by 20%, the readout noise of bright and dark fields is reduced by 40% and 30% respectively, and the improved photo response nonuniformity is up to 1.16%. Finally, a raw sample image taken by the prototype sensor shows the excellent practical performance.     

Noise in a CMOS digital pixel sensor

Based on the study of noise performance in CMOS digital pixel sensor(DPS),a mathematical model of noise is established with the pulse-width-modulation(PWM) principle.Compared with traditional CMOS image sensors,the integration time is different and A/D conversion is implemented in each PWM DPS pixel.Then,the quantitative calculating formula of system noise is derived.It is found that dark current shot noise is the dominant noise source in low light region while photodiode shot noise becomes significantly important in the bright region. In this model,photodiode shot noise does not vary with luminance,but dark current shot noise does.According to increasing photodiode capacitance and the comparator’s reference voltage or optimizing the mismatch in the comparator,the total noise can be reduced.These results serve as a guideline for the design of PWM DPS.     

基于CMOS图像传感器的多斜率积分模式

CMOS图像传感器由于器件本身的特点,相比CCD传感器,其动态范围较小。以CYPRESS公司生产的高性能CMOS图像传感器IBIS5-A-1300为研究对象,对其多斜率积分原理进行研究,提出了采用同步快门多斜率积分的方法来扩展CMOS图像传感器的动态范围。以FPGA+DSP为系统的硬件处理平台,给出了多斜率积分驱动时序的具体设计思路和方法,并在QuartusⅡ7.0环境下对所设计的驱动时序进行功能仿真。采用所设计的多斜率积分时序驱动,将CMOS图像传感器的动态范围由原来单斜率积分模式下的64 dB扩展到了90 dB。实验结果表明,采用多斜率积分模式可以实现动态范围扩展的要求。     

CMOS图像传感器及其研究

介绍了CMOS图像传感器的工作原理,比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点,指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径,综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势.     

CIS片上系统中伽玛校正的低功耗设计

为了实现CMOS图像传感器(CIS)片上系统(SoC)中伽玛(γ)校正的低功耗设计,同时又保证校正的精度,提出一种查找表和直线拟合相结合的γ校正技术。算法对灰度值较低的像素使用直接查找表方法校正,对于γ曲线上升缓慢部分的像素采用分段直线拟合的方法。在直线分段时,使用外层分段与内层分段相结合的方法,达到了分段优化的目的。算法保证了图像校正精度,与使用完全查找表法相比,误差在0.5 pixel之内。基于该方法设计了一个8 bit输入/8 bit输出的VLSI模块,通过FPGA对模块进行了验证,模块占用723个LE和195个LC寄存器,比完全查找表法减少了硬件资源耗费,实现了低功耗设计。系统最大工作频率可达148 MHz,完全满足实时处理的需求。     

用于低噪声CMOS图像传感器的流水线ADC设计及其成像验证

在对低噪声CMOS图像传感器的研究中,除需关注其噪声外,目前数字化也是它的一个重要的研究和设计方向,设计了一种可用于低噪声CMOS图像传感器的12 bit,10 Msps的流水线型ADC,并基于0.5μm标准CMOS工艺进行了流片。最后,通过在PCB测试版上用本文设计的ADC实现了模拟输出的低噪声CMOS图像传感器的模数转换,并基于自主开发的成像测试系统进行了成像验证,结果表明,成像画面清晰,该ADC可作为低噪声CMOS图像传感器的芯片级模数转换器应用。     

一种基于标准CMOS工艺的新型单片集成紫外图像传感器

我们提出了一种基于标准CMOS工艺的浮栅紫外图像传感器。传感器单元是由一个非常紧凑的紫外线灵敏器件构成。整个紫外图像传感器有一CMOS像素单元阵列、高压开关、读出电路和数字控制等部分组成。在一0.18μm标准工艺上实现了1个1616的图像传感器芯片。我们对传感器单元和阵列进行了测试,测试结果表明传感器的灵敏度为0.072 V/(mJ/cm2),并且可以获得紫外图像。此紫外图像传感器适合于大规模集成的生物医药和太空探测等领域。     

A novel monolithic ultraviolet image sensor based on a standard CMOS process

We present a monolithic ultraviolet(UV) image sensor based on a standard CMOS process.A compact UV sensitive device structure is designed as a pixel for the image sensor.This UV image sensor consists of a CMOS pixel array,high-voltage switches,a readout circuit and a digital control circuit.A 16×16 image sensor prototype chip is implemented in a 0.18μm standard CMOS logic process.The pixel and image sensor were measured. Experimental results demonstrate that the image sensor has a high sensitivity of 0.072 V/(mJ/cm~2) and can capture a UV image.It is suitable for large-scale monolithic bio-medical and space applications.