基于多次曝光技術(shù)的大動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器研究.pdf

1、隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器逐漸達(dá)到甚至超過了CCD圖像傳感器的性能水平，并憑借其低成本、低功耗、易集成等特性廣泛應(yīng)用于各種成像領(lǐng)域。CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍通常在60~70dB，但汽車影像、安防監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域的環(huán)境光線范圍在100dB以上，普通傳感器無法同時獲取場景中的明暗細(xì)節(jié)。傳統(tǒng)多次曝光技術(shù)可以有效提升傳感器的動態(tài)范圍，但同時會帶來高數(shù)據(jù)率和大數(shù)據(jù)量的問題。本文針對這一挑戰(zhàn)，主要研究采用多次曝光技術(shù)的大動態(tài)范圍C

2、MOS圖像傳感器的像素設(shè)計(jì)、時序優(yōu)化和圖像融合技術(shù)。
　　本文分析了大動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器像素的基本原理，基于0.18μm CMOS圖像傳感器專用工藝平臺，提出了兩次摻雜光電二極管來構(gòu)建光電二極管內(nèi)部電場；提出非均勻摻雜傳輸管溝道和傳輸柵結(jié)構(gòu)來建立具有梯度電勢分布的電荷傳輸通道。這兩種結(jié)構(gòu)消除了阻礙電荷轉(zhuǎn)移的勢壘和勢阱，從而提升電荷轉(zhuǎn)移效率，最終達(dá)到增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)化能力和提升動態(tài)范圍的目的。針對多次曝光技術(shù)所帶來的讀出速率升高的

3、挑戰(zhàn)，提出緊湊式讀出技術(shù)，通過行間交叉讀出長短曝光信號擴(kuò)展了單個像素的讀出時間，讀出速率可下降到1/3以下?；谒墓苡性聪袼亟Y(jié)構(gòu)，通過傳輸管對PD電荷容量調(diào)制，實(shí)現(xiàn)像素內(nèi)長短曝光信號融合，像素輸出即為大動態(tài)范圍圖像信號，無需外部存儲或處理，大大緩解了多次曝光技術(shù)的高數(shù)據(jù)率和大數(shù)據(jù)量問題。
　　本文主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.提出了一種非均勻摻雜柵極技術(shù)來改善像素的電荷轉(zhuǎn)移效率。這種技術(shù)能夠改善傳輸管柵下電勢分布，消除勢壘或勢阱

4、，從而促進(jìn)電荷順利從PD轉(zhuǎn)移到FD。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，像素能夠?qū)崿F(xiàn)完全的電荷轉(zhuǎn)移和零拖尾。
　　2.提出了一種采用緊湊式讀出的多次曝光技術(shù)，通過將不同行的長短曝光信號進(jìn)行交叉讀出，擴(kuò)展了單個像素的數(shù)據(jù)讀出時間，從而緩解了傳統(tǒng)多次曝光技術(shù)所帶來的高讀出速率問題。與傳統(tǒng)的滾筒式多次曝光相比，本方案能夠延長268％的像素讀出時間。
　　3.提出了一種能夠在像素內(nèi)實(shí)現(xiàn)長短曝光信號融合的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)多次曝光技術(shù)，該技術(shù)在像素內(nèi)同