基于jot器件的CMOS-TDI图像传感器研究

CMOS Time Delay Integration (CMOS-TDI) image sensor is the core device in the application of high speed scanning imaging under low illumination condition. That the stage and speed cannot be increased furthermore, and the noise and degree of technology dependence cannot be decreased furthermore are the major bottlenecks during the development of the traditional CMOS-TDI image sensor. To break through theses bottlenecks, inspired by the theory of quantum image sensors, an architecture of CMOS-TDI image sensor based on jot device will be proposed in this project. Its theoretical problems and key techniques will be researched in this project, and the specific research contents include: research on the principle of CMOS-TDI image sensor based on jot device and establish its theoretical model; research on the method of implementing jot device based on CMOS active pixel structure; research on the high speed, low power consumption readout and accumulation circuits of jot device based on 3D-stacked technique; research on fast image reconstruction algorithm when the threshold of jot device exceeds one. The design, test and analysis of CMOS-TDI image sensor based on jot device will be accomplished. Finally, the CMOS-TDI image sensor with high-stage, high-speed, low-noise, low-power and low-technology-dependence features will be realized through jot device and its readout and accumulation circuits. These innovation achievements will provide feasible theoretical guidance and technical source to the design of the next generation CMOS-TDI image sensor.

CMOS时间延迟积分（CMOS-TDI）图像传感器是低照度下高速扫描成像的核心器件。传统信号累加方式的CMOS-TDI图像传感器面临着级数和速度难以继续提升，噪声、功耗和工艺依赖度难以继续降低的瓶颈。为突破该瓶颈，本项目根据量子图像传感器理论，提出一种基于jot器件的CMOS-TDI图像传感器，并对其理论问题和关键技术展开研究，主要包括：建立基于jot器件的CMOS-TDI图像传感器理论模型；研究基于CMOS有源像素结构实现jot器件的方法；研究基于3D堆叠技术实现jot器件的高速低功耗读出与累加电路的方法；研究当输出阈值大于一时的快速图像重建算法。完成基于jot器件的CMOS-TDI图像传感器设计和测试分析，最终通过jot器件及其读出与累加电路实现高级数、高速度、低噪声、低功耗和低工艺依赖度的CMOS-TDI图像传感器，为下一代CMOS-TDI图像传感器设计提供理论指导和技术来源。

本项目以传统时间延迟积分（TDI）型CMOS图像传感器存在噪声、功耗和工艺依赖度难以继续降低的主要发展瓶颈为核心，结合量子图像传感器理论，基于标准CMOS工艺提出一种基于脉冲型jot像素的CMOS-TDI图像传感器，研究了传感器理论模型、像素实现、信号读出和图像重建方法，主要包括：建立了基于jot器件的CMOS-TDI图像传感器理论模型；研究了基于CMOS有源像素结构实现jot器件的方法；研究了低噪声读出与累加电路的方法；研究了基于脉冲型图像数据的图像去噪及图像重建方法。提出了一种用于CMOS-TDI图像传感器的数字域动态路径积累方法，实现对传感器振动引起的图像失真进行片上补偿；提出了一种基于流水线式电荷转移型像素和脉冲转换电路的256级脉冲式CMOS-TDI图像传感器，在100KHz行频下单像素每次成像仅消耗0.44nJ能量；根据量子图像传感器脉冲式成像过程中引入噪声的机理，优化片内读出电路结构，降低了电路功耗和失调；建立了一种描述钳位光电二极管（PPD）CMOS图像传感器曝光过程的数学模型，模型涵盖了曝光过程中的三种电荷来源：光产生电荷、p-n结产生电荷和发射电荷；提出了一种抑制CMOS图像传感器行噪声的单斜式模数转换器（SSADC），其在作为斜坡发生器的电流舵数模转换器中加入采样开关来固定由偏置电路引入的噪声，并通过数字双采样来降低该噪声。提出了一种用于CMOS图像传感器的带有电流型子数模转换器的循环式列并行模数转换器，其利用电流源对采样电容进行充放电使基准电压稳定，与传统的循环式模数转换器相比其可以达到相同的转换精度，而功耗降低了16%；建立了脉冲间隔误差模型，基于该模型提出了脉冲间隔补偿算法，其可有效降低脉冲型图像传感器的噪声；提出了一种基于脉冲型图像传感器的图像还原方法，基于该方法可实现成像帧率的提升。通过脉冲型jot器件及其读出与累加电路实现高级数、高速度、低噪声、低功耗和低工艺依赖度的CMOS-TDI图像传感器，为下一代CMOS-TDI图像传感器设计提供理论指导和技术来源。