高性能X射线CMOS图像传感器及应用研究

论文题目: 高性能X射线CMOS图像传感器及应用研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 仪器科学与技术

作者: 张文普

导师: 袁祥辉

关键词: 射线,图像传感器,电流镜电路,读出电路,驱动信号源,数据采集,图象处理

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: X 射线数字实时成像系统在医学、工业无损检测以及海关、机场、车站、码头的行包安全检查等领域得到广泛应用,X 射线图像传感器是其中的关键部件,现在用在X 射线实时检测领域的图像传感器大部分为电荷耦合器件CCD。由于CMOS 图像传感器比CCD 具有更强的抗辐射能力,还具有将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换电路、全数字接口电路等实现单片集成以及量子效率高、光谱响应宽、响应均匀性好、工作电压低、对时钟脉冲要求低、体积小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本等优点,因此在X 射线实时检测中更具有开发前景。而国内生产X 射线数字实时成像系统的厂商他们实行核心技术(如X射线图像传感器)从国外进口,以OEM 方式组装成整机。因此开展高性能X 射线CMOS 图像传感器的研究,在国内是一项具有开拓性和创新性的工作。本文的主要研究内容如下: 1.对采用电流镜积分读出电路的X 射线CMOS 图像传感器(简称为CMI-X-IS 图像传感器)的原理进行了研究,在此基础上,开展CMI-X-IS 图像传感器的设计工作,对CMI 单元、相关双采样CDS 和公共输出级电路进行分析。对根据CMI-X-IS 图像传感器的原理进行加工生产的芯片样品进行测试,测试的参数包括光电转换特性曲线、暗噪声和动态范围等,对这些参数进行分析,得出结论:采用电流镜积分读出电路可以构成一种CMOS 高灵敏度图像传感器。控制器件的设计参数,可以使光电流增益达到10 倍,从而使图像传感器灵敏度提高10倍;电流镜积分读出电路可以保证光电二极管的偏压接近于零(20mV 以内),因而可大大减小光电二极管的暗漏电流和噪声;该器件的光电流注入效率高,积分动态范围大,适合用于要求灵敏度高、动态范围大的应用。2.利用复杂可编程逻辑器件CPLD 设计满足CMI-X-IS 图像传感器时序要求的驱动信号源,并对实际应用出现的外部同步信号导致CMI-X-IS 图像传感器工作不正常的原因进行了分析,并采用“数字单稳态电路”使CMI-X-IS 图像传感器的F1、F2、ADST 为断续信号,从而使使CMI-X-IS 图像传感器工作正常。这种解决应用过程中出现问题的方法是独创性的,对类似的应用具有启示作用。设计CMI-X-IS 图像传感器的应用电路,并将此应用电路置于微焦点X 射线机的照射下,对不同密度、不同尺寸的材料进行了静态实验。实验表明,CMI-X-IS 图像传感器有较高的输出信号幅度(可以达到3 伏左右)、较好的均匀性、CMI-X-IS 可以清晰地反映出这几种材料的形状,能把不同密度的材料加以区分。因此这种传感器特别适合作为X 射线图像传感器来使用。3.分析与虚拟仪器采集数据有关的几个实际问题,利用NI 公司的数据采集卡和LabVIEW软件,设计CMI-X-IS 图像传感器的动态扫描成像系统和数据采集系统。实验表明,动态扫描

论文目录:

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 传统X 射线成像与数字化成像比较

1.3 X 射线图像传感器的国内外发展现状

1.3.1 医用X 射线图像传感器的发展

1.3.2 工业X 射线图像传感器的发展

1.4 自行研制X 射线CMOS 图像传感器的意义

1.5 课题主要研究内容

2 X 射线的产生和性质

2.1 X 射线的产生

2.2 X 射线的光谱

2.2.1 连续光谱

2.2.2 特征光谱

2.3 X 射线的性质

2.4 X 射线与物质的相互作用

2.5 物质吸收X 射线强度的规律

2.6 X 射线转换屏

2.7 本章小结

3 CMOS 图像传感器中的恒流源电路和读出电路

3.1 恒流源电路

3.1.1 基本电流镜结构

3.1.2 威尔逊电流源

3.1.3 共源共栅电流源—高输出阻抗恒流源

3.1.4 高输出阻抗高输出摆幅的恒流源

3.2 CMOS 读出电路结构

3.2.1 源随器结构

3.2.2 直接注入结构

3.2.3 缓冲直接注入结构

3.2.4 电容跨导放大器结构

3.2.5 开关电流积分结构

3.2.6 栅调制注入结构

3.2.7 缓冲栅调制注入结构

3.3 本章小结

4 基于电流镜积分读出电路的 X 射线 CMOS 图像传感器

4.1 采用电流镜积分读出电路的X 射线CMOS 图像传感器原理

4.2 CMI-X-IS 图像传感器的设计分析

4.2.1 CMI 单元、相关双采样CDS 和公共输出级电路分析

4.2.2 CMI 输入级设计分析

4.2.3 计算机模拟结果

4.3 实验结果及分析

4.3.1 光电转换特性

4.3.2 暗噪声及动态范围测试

4.3.3 实验结果分析

4.4 CMI-X-IS 图像传感器应用电路设计和实验

4.4.1 CMI-X-IS 图像传感器应用电路设计

4.4.2 CMI-X-IS 图像传感器应用实验

4.5 其它X 射线传感器的实验结果

4.5.1 X-320-IS 图像传感器的实验情况

4.5.2 接触式图像传感器CIS 的实验情况

4.6 本章小结

5 CMI-X-IS 图像传感器的驱动信号源

5.1 高密度可编程逻辑器件的选用

5.1.1 可编程逻辑器件

5.1.2 高密度可编程逻辑器件的选用

5.1.3 高密度可编程逻辑器件开发工具

5.2 CMI-X-IS 图像传感器驱动信号源设计

5.2.1 X 射线图像传感器要求的时序关系和实现电路

5.2.2 CMI-X-IS 图像传感器驱动信号源中的差分放大器

5.2.3 应用中出现的问题及解决办法

5.3 本章小结

6 基于虚拟仪器的数据采集系统

6.1 数据采集的几个问题

6.1.1 采样频率和样本数

6.1.2 数据采集系统的缓冲和触发

6.1.3 模入信号类型

6.1.4 模入信号的连接方式

6.1.5 数据采集(DAQ)卡

6.2 虚拟仪器软件开发平台和硬件的选择

6.2.1 虚拟仪器软件开发平台的选用

6.2.2 虚拟仪器硬件的选用

6.3 CMI-X-IS 图像传感器的数据采集系统

6.3.1 CMI-X-IS 图像传感器的扫描成像实验系统

6.3.2 CMI-X-IS 图像传感器数据采集系统的软件设计

6.4 本章小结

7 CMI-X-IS 图像传感器的噪声分析和图像处理

7.1 CMI-X-IS 图像传感器中的噪声

7.1.1 CMI-X-IS 图像传感器中的暗噪声

7.1.2 CMI-X-IS 图像传感器像元光响应不均匀性

7.1.3 闪烁晶体转换屏X 射线响应不均匀性

7.1.4 X 射线脉冲噪声对CMI-X-IS 图像传感器成像的影响

7.2 CMI-X-IS 传感器图像处理

7.2.1 直方图均衡

7.2.2 对比度增强

7.2.3 平滑滤波

7.3 本章小结

8 结论

致谢

参考文献

附录A 基于电流镜积分读出电路的 X射线 CMOS图像传感器及其应用系统照片

附录B 攻读博士学位期间发表的论文

独创性声明

学位论文版权使用授权书

发布时间: 2005-11-07

参考文献

[1].应用于监控安防领域的CMOS图像传感器关键技术研究[D]. 李晓晨.天津大学2013
[2].高性能CMOS图像传感器设计技术研究[D]. 裴志军.天津大学2004
[3].像素级CMOS数字图像传感器的研究[D]. 潘银松.重庆大学2005
[4].CMOS图像传感器在星敏感器中应用研究[D]. 刘智.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）2004
[5].CMOS图像传感器动态范围扩展技术的研究[D]. 付贤松.天津大学2006
[6].光流体显微镜中CMOS图像传感器关键技术研究[D]. 吕楠.西安理工大学2016
[7].抗辐射数字像素CMOS图像传感器研究[D]. 李渊清.天津大学2014
[8].基于CMOS图像传感器的多光谱遥感成像系统几个关键问题研究[D]. 罗斌.北京邮电大学2011
[9].超高速数字CMOS图像传感器关键技术研究[D]. 张娜.天津大学2008
[10].微光CMOS图像传感器关键技术研究[D]. 朱天成.天津大学2010

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