基于CMOS圖像傳感器的新型粒子軌跡追蹤器關(guān)鍵技術(shù)研究

本項目研究基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器信號處理方法，探索其中的低噪聲高速信號讀取、信號自適應(yīng)實時處理、超低功耗系統(tǒng)設(shè)計等傳感器信號處理關(guān)鍵技術(shù)。提出了多像素共享信號處理結(jié)構(gòu)，降低了單位像素內(nèi)晶體管數(shù)目，奠定了像素內(nèi)部集成采樣、降噪、量化等完整信號處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。研究了信號幅度對數(shù)變換的電路實現(xiàn)方法，探索了提高系統(tǒng)動態(tài)范圍的可能。奠定了智能像素結(jié)構(gòu)進一步研究的基礎(chǔ)。 根據(jù)傳感器信號處理的需求研究了新型高速自清零比較器架構(gòu)。采用輸入/輸出誤差采樣，實現(xiàn)了前置放大電路及鎖存器固定誤差的自動消除，在降低功耗的同時保證了比較器的高速特性。進一步探索了自適應(yīng)ADC及高速折疊ADC的實現(xiàn)方法，設(shè)計了采樣率為80 Ms/s和200 Ms/s的兩個原型結(jié)構(gòu)并進行了初步測試。 研究了正電子發(fā)射斷層成像系統(tǒng)（PET）信號處理的方法。開展了基于TDC（Time-to-Digital Converter）的精確測時系統(tǒng)及PET系統(tǒng)閃爍脈沖數(shù)字化單芯片解決方案的相關(guān)工作，采用0.25 um CMOS工藝設(shè)計了原型芯片。通過使用兩級時間控制方案，達到了低功耗實現(xiàn)高分辨率時間測量精度的目的。芯片的測量精度可達40 ps。 根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求研究了超低功耗無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計了超低功耗自適應(yīng)時鐘/數(shù)據(jù)精確恢復(fù)芯片，當(dāng)數(shù)據(jù)率在0.5 kbit/s到500 kbit/s變化時系統(tǒng)功耗僅為13 uW。進一步采用無源喚醒技術(shù)設(shè)計了滿足中國短程通信標(biāo)準(zhǔn)的5.8 GHz無線數(shù)據(jù)收發(fā)單芯片系統(tǒng)，靈敏度為-88 dBm，待機電流低于1 uA，數(shù)據(jù)率達2 Mb/s。 截至2012年12月，已在學(xué)術(shù)會議上作分組報告14次，發(fā)表論文25篇（11篇期刊論文，14篇會議論文， SCI/EI檢索19篇）；完成了6顆混合信號系統(tǒng)集成電路芯片的設(shè)計，獲得集成電路版圖登記8項；相關(guān)成果應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)通信及心電信號檢測系統(tǒng)，申請發(fā)明專利4項，其中1項已獲得授權(quán)。累計指導(dǎo)研究生20人，其中碩士研究生18人，有7名已經(jīng)畢業(yè)；合作培養(yǎng)博士研究生2人，有1名已經(jīng)畢業(yè)。

高精度、低功耗、可與信號處理電路大規(guī)模集成的CMOS圖像傳感器是新型粒子軌跡追蹤器最具潛力的發(fā)展方向。噪聲是CMOS圖像傳感器檢測粒子信號的瓶頸，此外，高能物理實驗產(chǎn)生的海量原始數(shù)據(jù)需要系統(tǒng)具備實時自動信號處理功能。本項目研究其中的噪聲抑制、高速信號讀取和列級動態(tài)信號處理等關(guān)鍵技術(shù)。.研究像素級自適應(yīng)放大與自動相關(guān)雙次采樣的機理，探索在像素內(nèi)部實現(xiàn)以上技術(shù)的方法，并進一步結(jié)合動態(tài)存儲與曝光控制構(gòu)造可以高速讀取的智能像素，掌握像素級實時自動信號處理技術(shù)，抑制噪聲、提高靈敏度。.基于動態(tài)掃描與失調(diào)電壓補償技術(shù)研究在列級模數(shù)轉(zhuǎn)換器中抑制固定噪聲的方法，并結(jié)合流水線模式提高工作速度。以此為基礎(chǔ)，探索列級自主偵測、智能數(shù)據(jù)壓縮的實現(xiàn)方案，構(gòu)建列級信號自動處理系統(tǒng)。.研究成果不但可以推動國內(nèi)相關(guān)工作的進展還將對CMOS圖像傳感器在空間探測、航天、醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力理論指導(dǎo)，具有廣泛應(yīng)用前景。

將壓縮感知技術(shù)引入CMOS圖像傳感器中，在傳感器像素陣列級實現(xiàn)冗余信息的集成壓縮，提高圖像轉(zhuǎn)換速度并降低系統(tǒng)功耗。本項目基于壓縮感知理論，主要研究了在圖像傳感過程中消減冗余數(shù)據(jù)的CMOS 圖像傳感器設(shè)計理論和方法，研究了數(shù)字降噪和頻域冗余數(shù)據(jù)壓縮的方法，研究了一種適用于時間延時積分電荷域累加型耦合式轉(zhuǎn)移輸出的機制，研究了解碼式3D堆疊結(jié)構(gòu)等模式提高像素存儲穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，研究了可應(yīng)用于圖像傳感器的高精度Cyclic ADC?；趬嚎s感知架構(gòu)重點研究了面向 SOPC 實現(xiàn)的快速圖像融合技術(shù)，研究了基于相似特征三角形的圖像配準(zhǔn)算法，研究了圖像分類的降維處理算法，以及圖像去噪、圖像濾波、圖像編解碼等相關(guān)應(yīng)用于壓縮感知圖像處理算法。最終建立一套基于壓縮感知的新型CMOS 圖像傳感器理論和方法模型，完成核心圖像信息壓縮處理算法及實現(xiàn)電路的建模、分析和優(yōu)化，在電路精度、功耗和面積占用實現(xiàn)優(yōu)化，實現(xiàn)CIS高性能傳感成像和高效率數(shù)據(jù)輸出處理。

將壓縮感知技術(shù)引入CMOS圖像傳感器中，可以在圖像光電轉(zhuǎn)換之后，直接對信號進行壓縮采樣，將信號采集和壓縮同時進行，可以有效減少輸入數(shù)據(jù)量，提高轉(zhuǎn)換速度并降低系統(tǒng)功耗。利用CMOS 工藝特征尺寸縮小等新技術(shù)工藝，結(jié)合現(xiàn)代信息處理和壓縮理論，可以在傳感器像素陣列級實現(xiàn)冗余信息的集成壓縮。本項目基于壓縮感知理論，研究在圖像傳感過程中消減冗余數(shù)據(jù)的CIS設(shè)計理論，研究像素級數(shù)字降噪和頻域冗余數(shù)據(jù)壓縮的方法，借鑒存儲陣列冗余糾錯編碼等模式提高像素存儲穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，結(jié)合運動估計進行幀差時域冗余信息消除。最終建立一套基于壓縮感知的新型CMOS 圖像傳感器理論和方法模型，完成核心像素圖像信息壓縮處理電路的建模、分析和優(yōu)化，在電路精度、功耗和面積占用實現(xiàn)優(yōu)化，實現(xiàn)CIS高性能傳感成像和高效率數(shù)據(jù)輸出處理。研究成果為小尺寸工藝下新一代高智能化CMOS 圖像傳感器芯片設(shè)計提供可行性理論指導(dǎo)和技術(shù)方法，并廣泛應(yīng)用于圖像信息采集系統(tǒng)。

CMOS圖像傳感器在消費電子、工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)控、醫(yī)療成像、科學(xué)研究、軍事國防等領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用，是一類非常重要的集成電路。然而，目前主流傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍較小，無法記錄自然場景接近180dB動態(tài)范圍的圖像信息，因此本項目研發(fā)具有超寬動態(tài)范圍的CMOS圖像傳感器意義十分重大。 本項目首先提出并研究了基于電荷補償技術(shù)的圖像傳感器原理；然后利用電荷補償技術(shù)實現(xiàn)了高動態(tài)CMOS圖像傳感器原型器件，對該圖像傳感器的性能進行了詳細(xì)的測試，并對非理想因素進行了分析；同時研究了一種基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)CMOS圖像傳感器，并研究了高分辨率、高動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器信號獲取和處理電路，設(shè)計了圖像傳感器模擬輸出軌對軌放大器，適用于并行列模數(shù)轉(zhuǎn)換用的12bit循環(huán)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及適合于串行輸出的40MHz采樣率、14bit精度的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 本項目提出的像素電荷補償技術(shù)，具有本征的高動態(tài)范圍，其基本結(jié)構(gòu)是通過像素中加入一個附加的光電二極管，弱光時反偏，強光時自動轉(zhuǎn)換為正偏，從而實現(xiàn)電荷補償，使得像素輸出電壓在弱光下與光強成線性，強光下變成與光強對數(shù)成正比，達到提高圖像傳感器動態(tài)范圍的目的。該技術(shù)申請并獲得了國家發(fā)明專利。 通過這種技術(shù)實現(xiàn)的CMOS圖像傳感器像素在弱光下呈現(xiàn)線性響應(yīng)，在強光下為對數(shù)響應(yīng)，可響應(yīng)光功率密度在1.99×10^-9W/cm^2至0.448W/cm^2之間，等效動態(tài)范圍達到167dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前主流CMOS圖像傳感器約80dB的動態(tài)范圍。同時該圖像傳感器具有接近2V的輸出擺幅。設(shè)計的14bit流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了每級2.5bit精度的冗余架構(gòu)，前期測量結(jié)果顯示有效精度超過了10bit。 本項目所研究的圖像傳感器結(jié)構(gòu)簡單、處理電路與信號處理方案成熟可靠，將能夠比較完美地解決傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍較低的缺點，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。 2100433B