有源像素CMOS探测器的均匀性及响应非线性研究

• 作 者: 严奕
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: CMOS图像传感器 器件均匀性 线性度 控制系统

随着集成电路设计技术和工艺水平的不断提高,CMOS图像传感器正在许多领域取代CCD器件,广泛地应用于工业监控、图像识别、多媒体技术和遥感探测等领域,极大地拓展了固体图像传感器技术的应用范围,成为当前业界研究的热点。　　
目前,CMOS图像传感器应用于空间遥感领域是遥感技术发展的一个重要趋势。本课题针对空间遥感定量化应用对CMOS探测器的要求,开展器件的均匀性、线性度等关键性能的研究,初步建立器件均匀性和线性度的设计控制方法,为今后研制更大规模、适合于空间定量化应用的面阵CMOS探测器奠定基础。　　
论文第一章概述了CMOS图像传感器的发展历史及国内外的研究现状,简单介绍了CMOS图像传感器的基本结构,工作原理,分类及其优缺点等。　　
第二章在深入分析图像传感器非均匀性来源的基础上,通过MATLAB理论建模分析,定性地给出了各参数的变化对于非均匀性的影响；通过Monte Carlo仿真验证,首次半定量地给出了不同产生机制对非均匀性的贡献度。最后,本章提出了3套不同层次的非均匀性测试方案,分别从像素级、列级和芯片级三个不同的角度来评价非均匀性问题。测试结果表明,采用相关双采样技术后,像素FPN得到有效抑制,但列级处理电路引入的列FPN成为非均匀的主要来源。同时,设计方案还验证了几种在列级和芯片级提高均匀性方法的有效性,得到的结论对于设计高均匀性的图像传感器具有重大的指导意义。　　
第三章简单阐述了非线性的来源,从理论、仿真和实验等几个角度分别分析了光电二极管和读出电路的非线性问题,明确指出了两者的特性曲线都呈现出“凹”的特点,得出了两者的作用互相叠加,会导致器件总的线性度进一步恶化的重要结论。最后,本章还给出了一些改善器件线性度的建议。　　
第四章详细介绍了一种数字控制多功能集成的控制系统设计和实现过程,该系统集成了滚筒曝光、窗口读出、积分定时、亚采样等增强型功能,有效提升了图像传感器的应用灵活性,简化了外围电路设计。通过简单扩展,该系统能够应用到大规模面阵读出电路中去。