应用于监控安防领域的CMOS图像传感器关键技术研究

论文摘要

进入新世纪以来，我国的综合国力和人民的生活水平不断提高。国家的国有资产和人民群众的个人财产和安全，都需要得到保护。整体社会的监督管理网络，也需要不断地完善。正因为如此，安防监控系统的应用越来越广泛，几乎遍布城市的每个角落。这些系统设备，充分而有效地保障了整个社会生活的顺利进行。随着微电子学的发展，图像传感器芯片在监控安防系统中的作用越来越重要，图像传感器相当于监控设备的“心脏”，它的性能好坏直接决定着监控设备能否发挥其应有的作用。因此，本文针对监控安防系统的应用，分析了监控CMOS图像传感器需要解决的关键技术问题，并提出了相应的解决方案。首先，针对监控领域对于低噪声的要求，分析了CMOS图像传感器的影响性能的主要几种噪声来源，提出了消除主要噪声的理论方法和电路结构实现。其次，针对监控领域对于大动态范围的要求，介绍了动态范围对于CMOS图像传感器的重要性，分析了造成CMOS图像传感器动态范围偏低的主要原因，并提出了提高动态范围指标的多种方法。再次，针对监控领域对于高灵敏度的要求，介绍了提高CMOS图像传感器像素灵敏度的几种方法。最后，通过实际的芯片产品测试结果，证明了本文提出的方法可以有效地提高CMOS图像传感器的灵敏度，降低噪声和扩展动态范围，使得监控领域应用最为看重的这三个性能指标得到了根本性的改善。本文在分析和提高监控CMOS图像传感器最为看重的噪声，动态范围和灵敏度三个重要指标基础上，提出了主要的几个创新方面：第一，提出了一种新颖的具有低噪声和高电源抑制比(PSRR)的电路结构，在模拟域大幅降低了CMOS图像传感器的图像噪声，提高了图像质量；并且依据暗电流噪声的相关性，提出了一种应用暗电流比例系数矩阵来消除暗电流噪声的方法，即节省了硬件资源，又提高了暗场下的图像质量。第二，根据多次曝光提高动态范围的理论，提出了一种新颖的组合穿插式多次曝光技术，在有效提高动态范围的同时，又保证了帧频不降低，硬件资源不过多消耗。第三，针对监控系统应用场合的不同，提出了一种新型的可变浮动节点电容值的灵敏度增强技术，实现了一颗芯片在多种监控环境下应用的可行性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 监控和安防的意义及发展概况
• 1.2.1 安全防护的意义
• 1.2.2 安防监控的发展概况
• 1.3 CMOS 图像传感器在监控安防领域的发展概况
• 1.3.1 监控安防领域的两种图像传感器发展比较
• 1.3.2 CMOS 图像传感器在监控安防领域的发展特征
• 1.4 本文选题意义和研究方法，论文安排以及主要创新点
• 1.4.1 选题意义和研究方法
• 1.4.2 论文内容安排
• 1.4.3 主要创新点
• 1.5 本章小结
• 第二章 监控 CMOS 图像传感器的性能要求
• 2.1 CMOS 图像传感器的结构
• 2.1.1 根据像素结构分类的 CMOS 图像传感器
• 2.1.2 根据处理电路结构分类的 CMOS 图像传感器
• 2.2 监控类 CMOS 图像传感器的重要性能参数
• 2.2.1 像素的主要性能参数
• 2.2.2 图像传感器系统的主要性能参数
• 2.3 监控类 CMOS 图像传感器的设计方法
• 2.3.1 监控 CMOS 图像传感器的噪声设计
• 2.3.2 监控 CMOS 图像传感器的动态范围设计
• 2.3.3 灵敏度设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 监控 CMOS 图像传感器低噪声设计
• 3.1 CMOS 图像传感器主要噪声源
• 3.1.1 模式噪声
• 3.1.2 随机噪声
• 3.1.2.1 热噪声
• 3.1.2.2 闪烁（1/f）噪声
• 3.1.2.3 散粒噪声（Shot Noise）
• 3.1.2.4 行随机噪声（Row Noise）
• 3.1.3 列并行结构噪声链
• 3.2 CMOS 图像传感器低噪声模块设计
• 3.2.1 低噪声带隙基准模块
• 3.2.2 低噪声参考电压产生模块
• 3.2.3 低噪声列放大器模块
• 3.2.4 高 PSRR 像素电源 LDO 模块
• 3.3 CMOS 图像传感器噪声的数字消除算法
• 3.3.1 行随机噪声和列 FPN 的消除
• 3.3.2 暗电流（Dark Current）噪声的消除
• 3.4 一种新型低噪声列读出电路
• 3.5 本章小结
• 第四章 监控 CMOS 图像传感器宽动态范围和高灵敏度设计
• 4.1 前言
• 4.2 CMOS 图像传感器宽动态范围设计
• 4.2.1 对数响应的像素结构与线性/对数响应转换
• 4.2.2 电荷泵升压技术
• 4.2.3 四管/五管像素转换技术
• 4.2.4 组合多次曝光控制技术
• 4.3 CMOS 图像传感器高灵敏度设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 监控 CMOS 图像传感器的性能指标测试
• 5.1 前言
• 5.2 噪声（Noise）测试
• 5.2.1 固定模式噪声（FPN）测试结果
• 5.2.2 行随机噪声（Row Noise）测试结果
• 5.2.3 随机噪声（Random Noise）测试结果
• 5.2.4 暗电流噪声（Dark Current）测试结果
• 5.3 动态范围（Dynamic Range）测试
• 5.4 灵敏度（Sensitivity）测试
• 5.5 本设计芯片与其他监控 CCD 芯片的实际效果对比
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢