研究目的
开发一款低噪声、高灵敏度的CMOS图像传感器,适用于弱光条件下的科学应用。
研究成果
该CMOS图像传感器性能优异,峰值量子效率达57%,高转换增益为124微伏/电子,暗电流低至0.96皮安/平方厘米,时间随机噪声仅为1.17电子均方根值,灵敏度高达87伏/勒克斯·秒。这些特性使其适用于科研和工业领域,证实了其在弱光环境下的卓越效能。
研究不足
论文提到所拍摄图像中存在少量白色像素缺陷,这可以通过先进工艺技术加以解决。该传感器的性能可能受限于0.11微米工艺节点,进一步优化有望提升动态范围并降低噪声。
1:实验设计与方法选择:
原型传感器采用0.11微米带钉扎光电二极管的CMOS图像传感器技术设计。架构包含100万像素分辨率的像素阵列、混合相关双采样(CDS)电路、列并行折叠积分/循环ADC阵列、扫描器、时序发生器、SPI模块、参考电压电流模块以及用于信号缓冲的LVDS。像素类型为带钉扎光电二极管(PPD)的四晶体管有源像素传感器(APS)。
2:11微米带钉扎光电二极管的CMOS图像传感器技术设计。架构包含100万像素分辨率的像素阵列、混合相关双采样(CDS)电路、列并行折叠积分/循环ADC阵列、扫描器、时序发生器、SPI模块、参考电压电流模块以及用于信号缓冲的LVDS。像素类型为带钉扎光电二极管(PPD)的四晶体管有源像素传感器(APS)。 样本选择与数据来源:
2. 样本选择与数据来源:实现并测试了一款100万像素(1024×1024)CIS芯片。测量指标包括量子效率、暗电流、时序随机噪声、转换增益和灵敏度。
3:实验设备与材料清单:
使用搭载开发成像芯片的原型CMOS相机进行测试。论文中未提供具体设备细节。
4:实验流程与操作步骤:
传感器工作包含复位期和信号期,期间折叠积分/循环ADC执行多次采样转换循环。列并行读出电路将积分时间缩短至典型设计的一半,允许更慢的读出速度以减少误差。在受控条件下(包括0.01勒克斯弱光环境)进行测量。
5:01勒克斯弱光环境)进行测量。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:数据分析包括计算量子效率、暗电流密度、时序随机噪声、转换增益和灵敏度。通过光子散粒噪声测量确定像素转换增益。芯片上执行数字CDS操作以降低垂直固定模式噪声。
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CMOS image sensor
Prototype 1-Mpixel
Image capture for low-light applications
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Folding-integration/cyclic ADC
Column-parallel
Analog-to-digital conversion for readout circuitry
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Correlated double sampling circuit
Hybrid (analog/digital)
Noise reduction in pixel readout
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Low voltage differential signaling
LVDS
Signal buffering for output
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Timing generator
TG
Control timing for sensor operation
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Serial parallel interface
SPI
Interface for data communication
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