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30000字硕士毕业论文根据CMOS图像传感器LUPA300的成像系统描述

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:图像传感器,时序,读出
论文概述:

随着MOS技术的成熟,三种典型的固体图像传感器电荷藕合器件(CCD),电荷注人器件(CID)、光敏二极管阵列((PDA)得到了发展。在这三种固体图像传感器中,CCD发展最为迅速。CCD器件及其应用技术的研

论文正文:

  第一章引言         随着MOS技术的成熟,三种典型的固体图像传感器电荷藕合器件(CCD),电荷注人器件(CID)、光敏二极管阵列((PDA)得到了发展。在这三种固体图像传感器中,CCD发展最为迅速。CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。到90年代初,CCD技术已比较成熟。作为一种新型光电转换器被广泛应用,特别是在图像传感和非接触式测量领域的发展则更为迅猛。随着CCD应用范围的扩大,其缺点逐渐暴露出来。为此,人们又开发了另外几种固体图像传感器技术。其中,最引人注目、最有发展潜力的是CMOS图像传感器,它能获得和CCD产品相似的图像质量,且在功耗、积分度上都取得了很大突破。CMOS图像传感器具有许多优点,如芯片内部积成了AlD转换器、输出为数字信号、外围线路简单、工作时不需要相位驱动脉冲、价格便宜等,这些优点使其很适合于桌面多媒体、视频会议、图像监控等应用场合。目前用于图像传感的器件主要有CCD和CMOS两大类。就目前的应用情况来看,CMOS器件的成像质量还不如CCD器件的成像质量好。但由于CMOS的很多优点,使其受到广泛关注,其应用领域也逐渐扩大。CMOS器件在工艺等方面的改进,成像质量的改善,系统积分技术的应用将进一步促进CMOS图像传感器在各个领域内的应用。         1.1CMOS图像传感器及其发展现状随着积分电路技术的飞速发展,CMOS图像传感器技术越来越接近CCD,而且CMOS图像传感器积分度高,无需复杂的驱动电路,具有重量轻,体积小,功耗低,抗辐照能力强等特点,所以CMOS图像传感器在可见光成像中的应用越来越广泛。同时,CMOS图像传感器已经广泛应用于空间探测领域。在空间探测领域的一些设备中,如遥感相机、星敏感器等,需要大视场、抗辐射能力强的光电成像器件,因此CMOS图像传感器在空间探测领域具有非常广阔的应用前景[01.2国外领域的发展状况国外对CMOS图像传感器的研究起步早,有众多的科研机构、大学和企业进行相关研发,比如美国的喷气推进实验室(JPL)、斯坦福大学、柯达、OmniVision、美光、Foveon,日本的佳能、索尼,以及比利时的Fi1lFactory。而且已经有成熟产品推向市场,比如佳能、索尼、Foveon,Fi1lFactory都已经有600万像素以上的CMOS图像传感器应用在专业级单反数码相机上。20世纪90年代初期,美国国家航空和宇航中心委托JPL对CMOS有源像素图像传感器(CMOSActivePixelImageSensor,CMOSAPS)和在星敏感器中的应用进行重点研究,第一代试验性称之为Stracker的APS星敏感器,证明了基于CMOSAPS的星敏感器的精度可以满足要求。JPL研制的CMOSAPS中,代号为RHAPS的高水平的辐射加固APS,在冷却条件下,其星敏感器的精度在视星为5等时可达0.1像元;代号为VIDI的超低功耗CMOSAPS是专门为卫星有效载荷设计的第二代产品,是高度积分的单片相机,只需3.3V供电,内置模数转换,10位数字输出,可编程曝光时间、分辨力和窗口模式,抗模糊等特点,功耗仅为20mW,数据读出率可达20兆位/秒0比利时微电子研究中心((IMEC)与欧洲宇航局合作研究的IRIS系列产品,其抗辐射能力为20krad,信噪比为67dB,8位数字读出,已用于小卫星的星敏感器,其星敏感器尺寸仅为62mmX53mmX53mm,精度优于30\"/5等星,视场为200X200,帧频10Hz,在相同的光学条件下,该指标完全可与CCD比拟。       CMOSAPS目前己应用于各种空间科学研究和空间探测任务中。其中,APS首次用于空间可视监控系统是比利时IMEC的FUGA15型APS,应用在1997年英国和比利时联合研制的Ariane502的可视遥感系统(VTS)中。1998年英国萨里大学在TMSAT小卫星中试用了VisionVM5426CMOS相机模块,分辨率为382X287,获得了较满意的结果。1999年和2000年,IMEC的APS产品FUGA和IRIS1作为可视监控相机(visualmonitoringcameras,VMC)分别用于欧洲宇航局的XMM-Newton飞船和ClusterII卫星。2000年7月英国萨里空I司中心研制的SNAP-1纳型卫星发射成功,这颗纳型卫星仅重6公斤,上面搭载了3个广角(900视角)的350X288像素的CMOS相机,以及一个小视角的350X288像素CMOS相机。2003年,在加拿大SciSat发射的ACE-FTS中的可视系统采用了Cypress公司生产的STAR系列辐射加固APS(256X256像元)。  参考文献  [1]曹听燕.CPLD在CMOS图像传感器驱动电路中的应用[[J].仪表技术与传感器.2005; 4: 43-45  付斌,张晓雷,陆扬.CMOS图像传感器时序分析研究[[J].传感器与微系统.2007; 26(12):47-49  郭明安,李斌康.高帧频CMOS摄像机控制驱动时序的设计与实现[[J].电视技术,2004(2): 88-89  [4]程开富,CMOS图像传感器的原理与应用[[J].半导体情报,2001 (5):5-9  林凡,吴孙桃,郭东辉.CMOS图像传感器技术及其研究进展[[J].半导体技术,2006(2): 0-44  首山雄,陈进勇.微扫描多帧平滑FPN提高CMOS图像传感器信噪比[[J].浙江大学学报,36(6):  621-623  朱青云,卢结成,张小波,郡铭.低功耗高动态范围CMOS图像传感器的设计[[J].半导体技术.2008; 33(1):19-21  侯雨石,何玉青.数码相机CMOS图像传感器的特性参数与选择[[J].光学技术,2003 } 29(2):  174-176  [9]黎向阳,高伟,田玉利,杨光宏.面阵CMOS图像传感器LUPA4000的驱动设计[[J].现代电子技术,2008,&17-18  摘要 3-4 ABSTRACT 4 第一章 引言 8-13     1.1 CMOS图像传感器及其发展现状 8     1.2 国外领域的发展状况 8-10     1.3 国内领域的发展状况 10-11     1.4 本文选题的意义和主要研究内容 11     1.5 本文的组织结构 11-13 第二章 CMOS图像传感器的介绍 13-19     2.1 CMOS图像传感器的工作原理 13-14     2.2 CMOS图像传感器的分类 14     2.3 CMOS与CCD图像传感器的优缺点 14-16     2.4 CMOS与CCD图像传感器的性能比较 16-17         2.4.1 灵敏度 16         2.4.2 动态范围 16         2.4.3 暗电流 16-17         2.4.4 电子快门 17         2.4.5 速度 17         2.4.6 开窗口 17     2.5 CMOS图像传感器在航天应用中的优势 17-19 第三章 CMOS图像传感器LUPA300 19-29     3.1 LUPA300的主要特点 19-21         3.1.1 高动态范围 19-20         3.1.2 随机开窗 20         3.1.3 亚采样 20         3.1.4 无损读出 20-21     3.2 LUPA300的内部结构 21-25         3.2.1 像元结构 22-23         3.2.2 可编程增益放大器PGA 23         3.2.3 片上ADC 23-24         3.2.4 同步快门 24-25     3.3 LUPA300的工作原理 25-27         3.3.1 LUPA300的工作模式 25-26         3.3.2 SPI时序介绍 26-27         3.3.3 ADC的时序 27     3.4 内部寄存器的设置 27-29 第四章 系统的总体设计 29-34     4.1 系统的工作原理 29-30     4.2 图像采集卡 30-31     4.3 可编程器件介绍 31-32     4.4 FPGA与CPLD 32         4.4.1 CPLD的介绍 32         4.4.2 FPGA的介绍 32     4.5 MAX Ⅱ系列CPLD 32-33     4.6 系统的软件实现 33-34 第五章 LUPA300的时序设计 34-50     5.1 LUPA300的时序分析 34-41         5.1.1 主模式积分时序 35-37         5.1.2 从模式积分时序 37-38         5.1.3 主模式读出时序 38-39         5.1.4 从模式读出时序 39-40         5.1.5 起始时序 40-41         5.1.6 序列复位时序 41     5.2 LUPA300主模式控制电路时序分析 41-42         5.2.1 读出时间≤积分时间 41-42         5.2.2 读出时间>积分时间 42     5.3 LUPA300从模式控制电路时序分析 42-46         5.3.1 无视窗功能,积分时间≦读出时间 43         5.3.2 无视窗功能,积分时间>读出时间 43-44         5.3.3 Y视窗功能,积分时间≦读出时间 44-45         5.3.4 Y视窗功能,积分时间>读出时间 45-46     5.4 功能模块设计 46-50 第六章 PCB设计及其硬件实现 50-58     6.1 硬件整体实现方案 50-51     6.2 供电模块介绍 51-54         6.2.1 LDO简介 51-52         6.2.2 LUPA300供电模块 52-54     6.3 图像传感器模块的设计实现 54-55     6.4 传输控制模块的设计实现 55-56     6.5 SCSI接口设置 56-58 第七章 试验结果及展望 58-69     7.1 实验仪器与设备 58-61     7.2 试验测试结果 61-68         7.2.1 系统图像采集试验结果及分析 61-65         7.2.2 CMOS图像传感器成像质量评价 65-68     7.3 总结与展望 68-69 参考文献 69-72