圖像傳感芯片分析與設計

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 圖像傳感系統 1
1.2 圖像傳感系統發展概述 4
1.2.1 光電探測器技術 4
1.2.2 圖像傳感芯片技術 6
1.2.3 未來發展趨勢 9
1.3 圖像傳感芯片典型應用場景 11
1.3.1 圖像傳感芯片用於移動設備領域 11
1.3.2 圖像傳感芯片用於安防監控領域 12
1.3.3 圖像傳感芯片用於車載領域 12
1.3.4 圖像傳感芯片用於三維成像和測距 13
1.3.5 圖像傳感芯片用於空間領域 14
1.3.6 圖像傳感芯片用於熒光壽命成像領域 15
參考文獻 15
第2章 圖像傳感芯片指標 17
2.1 圖像傳感器的分類 17
2.1.1 CCD圖像傳感器與CMOS 圖像傳感器 17
2.1.2 面陣圖像傳感器與線陣圖像傳感器 19
2.1.3 二維圖像傳感器與三維圖像傳感器 19
2.1.4 模擬輸出、數字輸出與SoC 型圖像傳感器 20
2.1.5 正照式圖像傳感器與背照式圖像傳感器 21
2.1.6 滾筒式曝光圖像傳感器與全局曝光圖像傳感器 22
2.1.7 典型圖像傳感器簡介 23
2.2 工作條件 29
2.2.1 工作溫度、供電電壓與環境輻照 29
2.2.2 圖像傳感芯片工作載板 30
2.3 圖像傳感芯片參數 31
2.3.1 分辨率 31
2.3.2 填充因子 31
2.3.3 吸收系數 32
2.3.4 量子效率 32
2.3.5 轉換增益 33
2.3.6 全局系統增益 33
2.3.7 靈敏度 34
2.3.8 滿阱容量 35
2.3.9 暗電流 35
2.3.10 噪聲 36
2.3.11 非均勻性 39
2.3.12 信噪比 40
2.3.13 動態範圍 40
2.3.14 量化位數 41
2.3.15 幀頻與功耗 41
2.3.16 圖像處理計算量 41
參考文獻 42
第3章 圖像傳感芯片感光機理和關鍵工藝 43
3.1 半導體的光電效應 43
3.1.1 矽的光電效應 43
3.1.2 載流子的產生 44
3.1.3 載流子的覆合 46
3.1.4 光線的反射 46
3.1.5 光電流的收集 46
3.1.6 光電流的積分和轉換 50
3.2 光電探測器件及像素結構 53
3.2.1 光電探測器件 53
3.2.2 CCD像素結構 55
3.2.3 CMOS像素結構 56
3.3 CMOS圖像傳感器關鍵工藝 63
3.3.1 CMOS工藝流程 63
3.3.2 正照與背照技術 70
3.3.3 三維堆疊技術 72
3.3.4 光刻板拼接技術 74
參考文獻 77
第4章 CMOS圖像傳感芯片 78
4.1 CMOS圖像傳感芯片架構 78
4.2 CMOS圖像傳感芯片電路模塊 83
4.2.1 模數轉換器 83
4.2.2 相關雙采樣電路 93
4.2.3 電荷泵 97
4.2.4 帶隙基準 106
4.2.5 鎖相環 109
4.2.6 總線 114
4.2.7 高速接口 120
4.2.8 圖像信號處理器 126
4.3 CMOS圖像傳感器仿真模型 129
4.3.1 光電轉換模塊 130
4.3.2 電壓轉換模塊 134
4.3.3 源極跟隨器 136
4.3.4 讀出電路 144
4.3.5 陣列仿真模塊 146
參考文獻 149
第5章 大動態範圍圖像傳感芯片 150
5.1 大動態範圍成像原理 150
5.1.1 動態範圍分析 150
5.1.2 大動態範圍成像挑戰 153
5.2 動態範圍擴展技術 155
5.2.1 多次曝光技術 155
5.2.2 非線性響應像素設計 158
5.2.3 多靈敏度設計 161
5.3 典型應用 165
5.3.1 消費電子 165
5.3.2 智能駕駛 165
參考文獻 166
第6章 單光子圖像傳感器 167
6.1 單光子雪崩二極管 167
6.1.1 概述 167
6.1.2 SPAD像素 168
6.1.3 前端電路 173
6.1.4 典型應用 178
6.2 電子倍增CCD 178
6.2.1 概述 178
6.2.2 芯片架構與工作原理 179
6.2.3 倍增寄存器 180
6.2.4 主要參數 181
6.2.5 典型應用 182
6.3 量子圖像傳感器 183
6.3.1 概述 183
6.3.2 工作原理與芯片架構 184
6.3.3 理論參數 186
6.3.4 QIS像素 193
6.3.5 低噪聲讀出電路設計 197
6.3.6 典型應用 202
參考文獻 203
第7章 基於飛行時間的深度圖像傳感芯片 205
7.1 三維成像技術 205
7.1.1 三維成像技術原理 205
7.1.2 三維成像技術分類與對比 206
7.2 DToF圖像傳感芯片 212
7.2.1 DToF圖像傳感芯片工作原理 212
7.2.2 DToF像素 216
7.2.3 DToF圖像傳感芯片中的TDC 219
7.2.4 DToF三維圖像傳感器行為級模型 227
7.3 IToF圖像傳感芯片 232
7.3.1 IToF圖像傳感芯片工作原理 232
7.3.2 IToF像素 237
7.3.3 IToF圖像傳感芯片關鍵電路 244
7.3.4 IToF三維圖像傳感器行為級模型 248
7.4 典型應用 253
7.4.1 自動駕駛 254
7.4.2 消費電子 255
參考文獻 256
第8章 線陣圖像傳感器芯片 258
8.1 線陣圖像傳感器 258
8.1.1 線陣成像基本原理 258
8.1.2 時間延時積分成像技術 258
8.1.3 TDI圖像傳感器的評價指標 260
8.2 TDI-CCD圖像傳感器 262
8.2.1 CCD的工作原理 262
8.2.2 CCD的轉移方式 269
8.2.3 TDI-CCD圖像傳感器工作原理 273
8.3 TDI-CMOS圖像傳感器 274
8.3.1 曝光方式 274
8.3.2 信號累加方式 280
8.3.3 讀出電路 291
8.4 典型應用 292
參考文獻 294
第9章 光譜圖像傳感芯片 296
9.1 光譜成像技術與成像系統 296
9.1.1 光譜感知理論 297
9.1.2 光譜成像技術 297
9.1.3 光譜分光類型 298
9.2 光譜圖像傳感芯片成像技術 304
9.2.1 基於光子晶體濾波的成像技術 304
9.2.2 基於微納結構濾波的成像技術 307
9.2.3 基於光譜透鏡的成像技術 311
9.2.4 光譜圖像重建方法 311
9.3 典型應用 314
9.3.1 遙感探測 314
9.3.2 精準農業 315
9.3.3 醫療影像 315
9.3.4 環境監測 316
參考文獻 317
第10章 仿生智能圖像傳感芯片 319
10.1 仿生視覺系統 319
10.1.1 生物視覺成像機理 319
10.1.2 仿生智能視覺傳感器 323
10.2 動態視覺傳感器 326
10.2.1 差分型像素 326
10.2.2 信號傳輸方式 331
10.2.3 基於動態視覺傳感器的其他成像結構 333
10.3 脈沖陣列仿生視覺傳感器 337
10.3.1 脈沖調制像素結構 339
10.3.2 異步覆位型脈沖像素結構 342
10.3.3 基於變化閾值的脈沖視覺圖像重構方法 346
10.4 感存算一體仿生視覺傳感器 350
10.4.1 感存算一體智能傳感器典型成果 351
10.4.2 感存算一體智能傳感器架構 352
10.5 典型應用 354
參考文獻 357