大动态范围CMOS图像传感器技术研究与相关电路设计

1、第32卷第4期2010年7月机器人ROBOTV ol.32, No.4Jul., 2010一种新型两自由度柔性并联机械手的优化设计胡俊峰，张宪民（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）摘要：对一种新型高速并联机械手，在弹性动力学层面上以系统的动态性能为优化目标对其截面参数进行优化设计首先，利用有限元法建立系统的弹性动力学方程然后，研究分析了系统第一阶固有频率对截面参数的灵敏度，以便确定设计变量最后，分别采用了两套优化设计方案对系统进行优化设计结果表明这两种方案都能满足设计要求关键词：并联机械手；柔性构件；优化设计；有限元法中图分类号：TH112文献标识码：A 文章编号：1002

2、-0446(2010-04-0459-05Optimal Design of a Novel 2-DoF Flexible Parallel ManipulatorHU Junfeng ，ZHANG Xianmin(School of Mechanical &Automotive Engineering , South China University of Technology , Guangzhou 510640, China Abstract:For a novel 2-DoF (degreeof freedom high-speed parallel manipulator,

3、optimal design of sectional parameters is carried out, and the optimal objectives are the dynamic performances of the system at the level of elastodynamics. First, the niteelement method is applied to obtaining the elastodynamic equations of the system. Second, the sensitivity of the rstorder natura

4、l frequency with respect to sectional parameters is analyzed to determine the design variables. Finally, two methods of optimal design are proposed to optimize the system. The results show that the methods can meet the needs of design.Keywords:parallel manipulator; exiblepart; optimal design; niteel

5、ement method1引言（Introduction ）并联机器人具有高速度、高精度、高承载能力等特点，在许多领域得到应用目前，对并联机器人的研究主要基于运动学和刚体动力学分析1-2，工程实践表明，这种分析方法对于中、低速系统通常是适宜的现代机械向高速、精密、轻型等方向发展，考虑并联机器人中构件的变形是必要的因为构件的弹性变形影响原设计的精度并会导致整个机器人的冲击、噪声和疲劳，所以柔性并联机器人的研究具有重要的理论和实际意义1-2柔性并联机器人优化设计采用某种优化方法，来减小机器人的振动、噪声和动力消耗，减轻其重量文3提出一种以重量最轻为目标、基于频率约束的优化设计方法文4针对平面3-R

6、RR 柔性并联机构，以机构总质量函数和弹性变形能函数组合成多目标函数进行多目标优化设计然而，柔性并联机器人综合方面的研究还不足，为了取得较好的动态性能，应对机构进行优化设计本文以一种考虑构件的弹性变形的新型两自由度平动并联机械手为研究对象，采用有限元法建立其弹性动力学方程根据系统的数学模型，研究分析系统固有频率对结构设计参数的灵敏度，以确定设计变量；采用了两套优化设计方案对系统进行优化设计2动力学模型（Dynamic modeling ）2.1机械手新型高速机械手如图1所示，由两条主动支链、两条从动支链、一个动平台和一个静平台组成每条主动支链含有一条主动臂和一条从动臂每条从动支链由一个平行四边

7、形杆组和两条滑动杆组成，通过它们对动平台提供约束，使动平台能在其工作平面以较高速度做两自由度平动，并保持其姿态不变5，具体设计思想参考文5机械手各构件的材料是铝合金，弹性模量和密基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（50825504）通讯作者：胡俊峰，hjfsuper收稿录用修回：2009-08-04/2009-10-15/2010-02-05460机器人2010年7月度分别为6.94×104MPa 、2.7×103kg/m3机械手的主动臂和从动臂横截面为工字型，机构的结构参数如表1所示这些结构参数是根据刚体运动综合得到的机构的工作空间为长600mm ，宽100mm 的矩

8、形区域表1机械手结构参数Tab.1Structure parameters of the manipulator 构件长度/mm截面参数/mm高度翼缘厚翼缘宽腹板厚主动臂280307305从动臂505604274图1并联机械手Fig.1The parallel manipulator2.2系统动力学方程采用有限元方法建立柔性并联机器人弹性动力学方程，主动臂和从动臂作为柔性构件，其他构件为刚体，柔性构件用梁单元来模拟主动臂、从动臂分别划分为2个和3个单元，系统一共划分为10个单元、38个广义坐标定义系统广义坐标列阵U =U 1, U 2, ···, U N u T

9、（N u 为广义坐标个数），组合所有单元的运动方程，可得系统无阻尼运动方程6：M ¨U+K U =P (1式中，P 为系统广义力，M 、K 为系统质量矩阵和刚度矩阵，它们分别为：M =n ei =1B T i R Ti m e R i B iK =n ei =1B T i R T i k e R i B i(2式中，m e 、k e 是单元质量矩阵和刚度矩阵，R i 是坐标转换矩阵，B i 是坐标协调矩阵，n e 为单元个数3灵敏度分析（Sensitivity analysis ）动态特性灵敏度是动态特性参数对结构设计变量的改变率，通过灵敏度分析计算可求出动态特性对结构设计变量变化的

10、敏感程度，进而选择对动态特性影响较大的结构参数作为设计变量而且，它们可以应用在结构参数优化计算中固有频率是评价系统动态性能的一个重要指标，在某一振型下固有频率越高则相应的刚度就越大下面分析固有频率对结构参数的灵敏度由式(1，系统的特征方程为：det f 2M +K=0(3通过求解特征值问题即可得到系统的固有频率f 由式(3对系统的某一结构参数x m 求导，可得2f r f r x m M f 2r M x m +K x m r + f 2r M +K r x m =0(4式中，f r 为系统第r 阶固有频率，r 为对应的正则振型上式两边同乘以T r 可得：T r2f r rx m M f 2r

11、 M x m +K x mr +T rf 2r M +K r x m=0(5根据特征向量的正交性T r f 2rM +K = f 2r M +K r T =0T r M r =I(6式中，I 为单位矩阵，化简式(5可得固有频率对结构参数的灵敏度：f r x m =12f rf 2r T r M x m r T rKx m r (7下面分析系统第1阶固有频率对主动臂的高度h 1、翼缘厚d 1、翼缘宽w 1、腹板厚d 2和从动臂的高度h 2、翼缘厚d 3、翼缘宽w 2、腹板厚d 4的灵敏度灵敏度用S 表示，单位为Hz/mm，表示单位结构参数固有频率的变化图2表示以表1中的结构参数为基点，系统第1阶

12、固有频率对结构参数的灵敏度在整个工作空间的分布情况从该图可以看出，在整个工作空间内，固有频率对主动臂翼缘厚、翼缘宽、高度，从动臂翼缘厚、腹板厚都较为敏感，而相对来说，对主动臂腹板厚、从动臂翼缘宽和高度的灵敏度较小；灵敏度在工作空间是对称分布的 (a主动臂翼缘厚(b主动臂腹板厚 (c从动臂翼缘厚(d从动臂腹板厚 (e主动臂翼缘宽(f主动臂截面高度 (g从动臂翼缘宽(h从动臂截面高度图2系统第1阶固有频率对结构参数的灵敏度在工作空间的分布Fig.2Distribution of sensitivity of the rstorder natural frequency to structure p

13、arameters in the workspace图3表示机构在工作空间某一固定位置（在此选择了工作空间的中心点）系统第1阶固有频率对结构参数在一定范围内的灵敏度选择主动臂和从动臂的翼缘厚、腹板厚变化范围为0mm 15mm ，主动臂和从动臂的高度、翼缘宽变化范围为0mm 50mm 由图可见，固有频率对结构参数主动臂翼缘厚、翼缘宽、高度，从动臂翼缘厚、腹板厚都较为敏感，而对主动臂腹板厚、从动臂翼缘宽和高度的灵敏度较小；从图3(a(d灵敏度曲线变化趋势可以看出，在主动臂和从动臂的翼缘厚和腹板厚的尺寸较小段，固有频率对这些参数变化更敏感根据图2和图3的分析结果，选择主动臂翼缘厚d 1、翼缘宽w 1

14、、高度h 1、从动臂翼缘厚d 3、腹板厚d 4作为优化设计变量4优化设计（Optimal design ）4.1优化方案1由式(3和图2、3可知，系统的基频（系统第1阶固有频率）不仅取决于机械手的结构参数与惯性参数，同时还与机械手的位形有关，取基频作为机械手的性能指标，以工作空间内的最小值最大化作为目标因此，截面参数优化设计的目标函数为：min (f 1 S max(8式中，(f 1 S 表示基频在工作空间的所有值取工作空间所有值不实际，可在工作空间取足够多的点对于高速并联机械手，应该追求轻量化，因此设计中应该满足以下约束条件：W W 0d 1lb d 1 d 1ub , w 1lb w 1

15、w 1ub h 1lb h 1 h 1ub , d 3lb d 3 d 3ub d 4lb d 4 d 4ub(9 式中，W 为机械手的总重量，W 0为所要求的重量d 1lb 、d 1ub ，w 1lb 、w 2ub ，h 1lb 、h 1ub ，d 3lb 、d 3ub ，d 4lb 、d 4ub 分别为5个设计变量的上下边界 (a主动臂翼缘厚(b主动臂腹板厚 (c从动臂翼缘厚(d从动臂腹板厚 (e主动臂翼缘宽(f主动臂截面高度 (g从动臂翼缘宽(h从动臂截面高度图3系统第1阶固有频率对结构参数的灵敏度Fig.3Sensitivity of the rstnatural frequency

16、to structureparameters由表1所示参数可得到主动臂和从动臂的总重量为1.96kg ，现要求重量W 0为1.6kg ，采用序列二次规划法求解上述非线性优化问题，得到频率在优化迭代中的变化，如图4所示，迭代步以N 表示，图中星号表示每一迭代步基频在工作空间的最小值从图4可以得知，在迭代过程中，其值逐渐变大，满足设计要求最后迭代的结果为：各个设计变量的值d 1=6.2540mm ，w 1=32.0148mm ，h 1=37.8442mm ，d 3=5.2068mm ，d 4=3.7812mm ，基频在工作空间的最小值为125.7116Hz图4系统第1阶固有频率在优化迭代过程中的变

17、化Fig.4Changes of the rstnatural frequency duringoptimization iteration4.2优化方案2以机械手的重量最轻为目标函数W min(10为满足系统刚度要求，在工作空间，系统的第1、2、3阶固有频率的最小值应大于某一值，则约束函数为：min (f 1 S f 1min (f 2 S f 2min (f 3 S f 3d 1lb d 1 d 1ub , w 1lb w 1 w 2ub h 1lb h 1 h 1ub , d 3lb d 3 d 3ub d 4lb d 4 d 4ub(11式中，f 1、f 2、f 3分别为所要求的第1、

18、2、3阶固有频率现要求f 1、f 2、f 3分别为100Hz 、150Hz 、650Hz ，采用序列二次规划法求解上述非线性优化问题，得到重量在优化迭代过程中的变化，如图5所示，图中星号表示每一迭代步机械手的重量W 从图5可以看出，在迭代过程中，重量逐渐变轻，满足设计要求最后迭代的结果为：各个设计变量的值d 1=7.5359mm 、w 1=38.6330mm 、h 1=34.3552mm 、d 3=6.1035mm 、d 4=2.9875mm ，重量为1.5167kg 比较优化方案1、2的结果可知，所得结果差别不大，这说明两种设计方案都能满足设计要求 图5重量在优化迭代过程中的变化Fig.5C

19、hanges of weight during optimization iteration5结论（Conclusions ）(1考虑机械手的固有频率与位形有关，分析了其第1阶固有频率对结构参数的灵敏度在工作空间的分布情况，结果表明，在整个工作空间内，固有频率对结构参数主动臂翼缘厚、翼缘宽、高度，从动臂翼缘厚、腹板厚都较为敏感所以，应当选择它们为优化设计变量(2分析了当机构在工作空间某一固定位置时，系统第1阶固有频率对结构参数的灵敏度结果表明，结构参数尺寸较小时，固有频率对这些参数变化比较敏感(3分别选择基频和重量作为目标函数，最后的优化结果都能满足设计要求(4本文提出的思路和方法可应用于其他

20、机构的优化设计参考文献（References ）1邹慧君，高峰现代机构学进展M北京：高等教育出版社，2007：3-16. Zhou Huijun, Gao Feng. Progress of modern mechanismM.Beijing:Higher Education Press, 2007:3-16.2高峰机构学研究现状与发展趋势的思考J机械工程学报，2005，41(8：3-17. Gao Feng. Reectionon the current status and development strategy of mechanism researchJ.Chinese Journa

21、l of Mechan-ical Engineering, 2005, 41(8:3-17.3Zhang X M, Shen Y W, Liu H Z, et al. Optimal design of exi-ble mechanisms with frequency constraintsJ.Mechanism and Machine Theory, 1995, 30(1:131-139. 4杜兆才，余跃庆，苏丽颖动平台惯性参数对柔性并联机构动力学特性的影响及优化设计J光学精密工程，2006，14(6：1009-1016.Du Zhaocai, Yu Yueqing, Su Liying.

22、 Effects of inertia parame-ters of moving platform on the dynamic characteristic of exibleparallel mechanism and optimal designJ.Optics and Precision Engineering, 2006, 14(6:1009-1016.5张宪民，袁剑锋一种二维平动两自由度平面并联的机器人机构：中国，1903521P2007-01-31. Zhang Xianmin, Yuan Jianfeng. A two-dimension transla-tional two

23、-degree-of-freedom planar parallel robot mechanism:China, 1903521P.2007-01-31.6张策，黄永强，王子良，等弹性连杆机构的分析与设计M北京：机械工业出版社，1997：59-81. Zhang Ce, Huang Yongqiang, Wang Ziliang, et al. Analysis and design of elastic linkageM.Beijing:China Machine Press, 1997:59-81.作者简介：胡俊峰（1978），男, 博士生研究领域：柔性并联机构动力学及振动控制张宪民（1

24、964），男，博士，教授研究领域：精密定位与精密操作，精密电子装备与现代控制技术，机电系统的振动与噪声控制等（上接第458页）10郑亚青，刘雄伟6自由度绳牵引并联机构的运动轨迹规划J机械工程学报，2005，41(2：77-81. Zheng Yaqing, Liu Xiongwei. Motion trajectory planning of 6-dof wire-driven parallel kinematic manipulatorsJ.Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 41(2:77-81.11邓晓楠，王人成人体动态和静态

25、地面反力检测系统的研制J中国康复医学杂志，2006，21(11：1019-1021.Deng Xiaonan, Wang Rencheng. Development of a system for detecting and analyzing of dynamic and static ground reaction forces when walking or standingJ.China Journal of Rehabili-tation Medicine, 2006, 21(11:1019-1021.12张立勋，刘攀，王克义，等绳索牵引并联康复机器人的建模与控制J哈尔滨工程大学学报

26、，2009，30(1：81-85.Zhang Lixun, Liu Pan, Wang Keyi, et al. Modeling and con-trol of a wire-driven parallel rehabilitation robotJ.Journal of Harbin Engineering University, 2009, 30(1:81-85.作者简介：张立勋（1962），男，教授，博士生导师研究领域：机器人技术，机电一体化技术中国科学技术大学硕士学位论文大动态范围CMOS图像传感器技术研究与相关电路设计姓名：卞育华申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：卢结成2

27、0090501摘要摘要本文主要围绕图像传感器的动态范围扩展技术展开研究，总结分析了当前主要的动态范围扩展技术，选用性能较优的条件重置技术作为本文的核心，深入研究了条件重置像素结构各参数的选取依据，并且对指数时间采样条件重置像素结构进行创新性改进。同时，设计了一种新型的位扩展，作为指数时间采样条件重置图像传感器的列级。本文首先阐述了光电管的特性以及数理等效模型，包括电路模型和主要噪声模型，在此基础上给出图像传感器关键参数的推导，主要包括动态范围、信噪比两个重要参数模型，进而以这两个参数为主要依据对常规条件重置技术和指数采样条件重置技术进行性能分析，给出了相关参数（比较电压、采样时间）的选取依据。

28、通过对指数时间采样条件重置像素工作时序的分析，得出像素在积分周期内存在多次的无效写操作的结论。对电路的工作时序进行优化，并加入脉冲生成电路，消除的无效写操作。设计了一种新型的可配置单稳态脉冲生成电路，利用工作在亚阈值区域的管作为电容的充放电回路，电路结构更好地与工艺兼容。对整个像素单元进行数模混合仿真验证，证明写操作的有效性以及新型指数时间采样条件重置像素工作的可靠性。像素单元的动态范围在常规条件重置电路的基础上提高，平均写操作次数由次降为次。针对新型指数时间采样条件重置像素输出信号的特殊性，设计了一种新型的位扩展（基于位逐次逼近结构），可以对像素的模拟输出电压和中重置时间数值进行处理，直接输

29、出合成后的转换数值。设计的主要模块包括电荷再分配电容阵列模块、迟滞比较器模块和移位数字模块。利用数模混合仿真对输入信号进行全摆幅扫描，呈良好的线性输出，并对的失调误差、积分非线性和微分非线性等性能参数进行了分析。关键词：图像传感器指数时间采样条件重置单稳态脉冲逐次逼近，（）、，、：，中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：二瞰字：，、叶中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请

30、学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。虹公开口保密（年）作者签名：二埠一签字日期：上型：竺导师签名签字日期第章绪论第章绪论随着现代计算机技术以及信息处理技术的发展，智能系统正在越来越多地帮助人类处理外界的各种复杂信息，这些信息包括自然界的声、光、温度、压力以及气味等等。人类通过五官接受获取

31、外界信息，其中人眼通过获取图像得到的信息量最大，据统计，人类获取信息的是通过视觉器官得到的。基于视觉图像巨大的信息量，先进的图像获取技术也就成了现代智能系统的重要组成部分。图像传感器是图像获取设备的核心，目前主流的固态图像传感器主要包括（）图像传感器和（）两种。图像传感器由于其较高的填充因子（）和较低的固定模式噪声（）已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速度，难与集成等缺点，限制了它的应用。图像传感器正是解决了存在的问题而得到了越来越多的关注，特别是近几年来，随着艺的发展，有可能开发出超低功耗的单片相机系统。图像传感器目前还存在很多问题，主要集中在噪声抑制困难和动态范围有限两方面

32、，其中有限的动态范围严重限制了图像传感器在某些领域的应用，比如交通监控、医疗检测设备等。扩展图像传感器的动态范围是当前该领域研究的重点，很多研究已经取得了技术性的突破并且成功运用到产品中，新成果在动态范围方面有了很大的改善。本章首先介绍图像传感器的发展历程、性能特点，然后介绍一下当前图像传感器的研究现状以及现有的动态范围扩展技术，最后介绍一下本文的研究重点和组织结构。选题背景图像传感器的发展历史早在世纪六七十年代，图像传感器就以第一代固体图像传感器的身份问世了，该技术的出现时间比技术早了很多，在年代中期，利用管扫描电路构成的光电图像传感器已经成型。但由于工艺技术落后，导致像素单元尺寸较大且性能

33、低下，在之后相当长的一段时间里，对该技术的研究进展缓慢。年后，图像传感器诞生，其很快以其优良的性第章绪论能（低噪声、大动态范围、像素尺寸小以及高感光度）统治了图像传感器领域。在此之后的二三十年里，图像传感器在图像传感器领域一直占有主导地位。到了年代，工艺取得了长足的进步，图像传感器在几十年的发展过程中也暴露出了很多难以克服的缺陷（多电压，高功耗，低速度，难与集成），图像传感器的低成本、低功耗、高度集成化、单一工作电压、局部像素可编程随机读取等优势逐渐体现出来，对于图像传感器的研究也进入了一个全新的阶段。同时大量新兴应用领域出现，如汽车摄像、移动电话、摄像头、空间摄像、医学检测以及应用领域等，广

34、泛的应用领域大大刺激了图像传感器的飞速发展。图像传感器性能特点在长达二三十年的发展过程中，图像传感器逐渐发展出三类结构：无源像素图像传感器（），有源像素图像传感器（）和数字图像传感器（）。无源像素图像传感器（）结构在六十年代被首次提出（，），该结构传感器主要由光电二极管和开关构成，光电二极管处于反偏状态，开关连接光电二极管和列总线。当开关选通后，光电二极管上由光电流产生的积分电荷与列总线共享，电荷在两者之间流动，形成电流，列总线末端的电荷放大器将该信号放大转换成电压输出。无源像素结构如图所示。图无源像素结构无源像素结构较为简单，仅仅由光电二极管和开关组成，因此其像素填充率（）较高。但是该结构传

35、输线电容对输出信号影响较大，像素读出噪声较高，极大地限制了该结构的应用。有源像素传感器（）是指在像素单元中包含有源晶体管的像素阵列，其中最常见的是与工艺兼容的光电二极管型有源像素传感器，图为其电路结构示意图：第章绪论；图有源像素结构常规有源像素结构主要由光电二极管和个管构成，为复位管，构成源跟随器，为行选通管。当吃为低电平时，选通，像素复位，光电二极管寄生电容充入复位电荷。当返回高电平时，膨截止，光电流对寄生电容放电。管将肋电压输出，为行选开关，当吆为高电平时，一行的像素被选中。若不考虑沟道调制效应，输出电压圪叫将与光电管电压呈线性关系，两者之间相差一个管导通阂值压降。由于在像素内加入了有源电

36、路，使得像素电压信号得到缓冲和放大，在提高了像素灵敏度的同时，也大大降低了噪声影响。有源像素结构相对于无源结构像素填充率下降了不少，但是随着集成电路工艺的进步，填充率的影响越来越小，因此有源像素结构已成为目前图像传感器的主流结构。数字图像传感器（）通过在每个像素中加入单元或将几个邻近的像素组成像素元组共用一个直接将输出的模拟信号转换为数字信号，图为其电路结构示意图。图数字像素结构第章绪论数字像素的主要特征是采用像素级，从而消除了信号在列总线上传输所引入的噪声，相对采用芯片级和列级的图像传感器，该结构可以得到更高的信噪比和更低的功耗（，；，）。目前限制技术发展的主要问题是较低的填充率和像素级结构

37、的设计与实现，由于像素级对信号处理速度要求较低，现在常用的结构有精简型过采样，以及多路位串行（）结构的。（）等研究人员利用光强和像素单元积分时间的关系，提出一种脉宽调制型数字图像传感器，给图像传感器的设计开辟了一个新的思路。随着集成电路工艺的发展，数字图像传感器将成为未来的主流结构。图像传感器研究现状及动态范围扩展技术介绍目前图像传感器的研究重点主要集中在六个方面：低噪声、大动态范围、高灵敏度和高填充率、低功耗、低电压操作和高速图像获取。这六个方面在某些情况下相互抑制，如想获得低噪声的性能，则必须加入额外电路结构进行噪声抑制，势必会降低填充率加大功耗；如果要提高动态范围，则必须加大输出电压的摆

38、幅，从而增大功耗提高操作电压等等。因此，设计人员应根据传感器的应用领域的不同，对其性能做出权衡取舍。本文主要对图像传感器的动态范围扩展技术进行研究，在确保动态范围得到有效扩展的同时，对其他各方面性能进行优化。由于图像传感器（）采用电荷积分感光的方式，有限的阱容必然导致动态范围受限。传统的图像传感器（）的动态范围一般在左右，而一般户外图像的动态范围都在以上、人眼的动态范围可以达到。有限的动态范围使得图像传感器的应用领域大大受限，例如在医疗成像方面，有些疾病的诊断主要通过成像局部的细节观察得出的，但是如果图像存在过曝光使得部分细节丢失，则诊断的准确率会大大下降，甚至会造成严重的医疗事故。由于动态范

39、围性能对图像传感器的性能的影响越来远严重，动态范围扩展技术逐渐成为研究的热点，很多研究人员提出了一些新式的扩展技术，目前常用的动态范围扩展技术有多次采样，条件重置，对数扩展，线性对数复合响应，势阱容量调节，局部曝光等方法。多次采样技术是在一个积分周期内对同一场景进行多次曝光，每次曝光的时间不同，长曝光时间主要针对弱光强区域，短曝光时间针对强曝光区域，生成的多幅图像通过后端电路或软件算法进行合成从而得到最终的高动态范围图像。多次采样技术在不损害信噪比（）的基础上，可以获得较高动态范围的图像，且曝光次数越多，信噪比越高，信号变化越均匀。但是多次曝光技术在积分周期内第章绪论需要对多幅图像进行缓存，需

40、要用到大量的存储单元，多次的曝光操作也对的转换速度提出了很高的要求。同时，在多次曝光期间，场景必须保持静止，否则合成后的图像质量将大大下降。条件重置技术实际上是对多次采样技术的改进，若场景光强较大，重置电路在积分周期内会对像素进行复位，避免像素饱和，仅仅需要对最后的像素电压进行转换，克服了多次采样需要对曝光图像进行多次转换的缺点，同时继承了多次采样技术高信噪比的优点。本文采用的指数时间采样条件重置技术正是该方法的一种改进，动态范围得到了进一步的提高。对数扩展技术有别于其他积分型像素，它是将有源像素复位管栅源互联，使得该管工作于亚阈值区域，利用工作在亚阈值区域的管电流电压的对数特性来实现动态范围

41、的扩展。对数模式像素电路结构简单，且扩张动态范围效果明显。但是该技术对管工艺有着十分强的依赖性，管的失配将导致严重的噪声，同时由于对数曲线的特性，像素在强光条件下灵敏度大大下降。因此，该技术主要用于对动态范围要求极高，但对图像质量没有较高要求的场合。线性对数复合响应技术将具有高信噪比性能的线性像素和具有高动态范围性能的对数像素的优势相结合，在像素积分周期内人为设置转换点，当输出低于转换电压时，像素工作在线性模式，高于转换电压时，像素切换到对数模式。通过该技术，可以在低中等光强条件下得到信噪比较高的图像，同时在强光条件下能保持较高的动态范围。该技术同样对管工艺有很强的依赖性，转换点电压的失配也会

42、导致图像质量的下降。势阱容量调节技术是通过调节光电二极管的势阱容量来实现动态范围扩展。其电路结构是在光电二极管输出端加入横向溢出栅，在阱容调节电压的控制下，调节输出电压与输入光强曲线的形状，实现动态范围的扩展。由于势阱容量调节技术人为地压缩了转换曲线，输出信噪比较低。同时，阱容调节技术对控制时序有严格的要求，一般只能应用在像素规模较小或分辨率较低的场合。局部曝光技术是像素根据入射光强自适应调节积分时间，避免饱和。当入射光线较弱时，延长曝光时间，当入射光线较强时，缩短曝光时间，因此整个图像避免了局部过曝光或曝光不足的现象。该技术从理论上是扩展动态范围的最佳方案，但是在硬件实现的时候会遇到很大的困

43、难，局部曝光需要对光强进行预判，预判电路一般较为复杂，而且后期的图像重构也较为复杂，图像处理单元要求较高，种种因素限制了其在实际系统中的应用。综上所述，目前对图像传感器动态范围扩展技术研究还处于起步阶段，很多研究人员提出的方法都存在待解决的问题，在扩展动态范围的研究领域内，还没有一种技术能够具有绝对优势，很多方法和技术都有待改进之处。因此，本第章绪论文在对一般动态范围扩展技术进行研究对比后，选用电路复杂度中等、动态范围扩展性能较好的条件重置技术作为研究核心，对其进行深入分析，并设计了相关电路模块。本文的研究内容和组织结构本文主要以图像传感器动态范围扩展技术为研究重点，以条件重置技术为核心，在此

44、基础上对指数时间条件重置技术进行深入分析和电路设计。第二章主要对图像传感器的基本原理和主要参数进行阐述，光电二极管是图像传感器的光敏部分，其数理模型是电路仿真的基石。同时为了对像素电路的信噪比和动态范围扩展因子进行分析，本章对这两个参数进行了推导并得出最终的等效模型，为后面章节的分析提供理论基础。第三章主要对常规条件重置技术进行分析，从信噪比和动态范围扩展因子角度给出了采样时间和参考电压的选取依据，分析了该电路结构的复位误差，进而引出指数时间采样条件重置技术，对其进行深入分析，给出参考电压的选取依据。第四章首先分析了指数时间采样重置电路存在的问题，对电路结构进行创新性改进，加入脉冲生成单元来控

45、制像素的写操作，消除了无效的数据翻转。单稳态脉冲生成器与工艺兼容性好，脉冲宽度外部可调。设计了像素时序控制模块，与像素单元进行数模混合仿真。仿真结果验证写入数据正确，平均翻转次数降为次，消除无效翻转。第五章主要设计了新型指数时间采样条件重置像素的列级。针对像素输出信号的特殊性，设计了一种新型的位扩展，可以对像素输出的模拟电压和数字信号进行转换合成，直接输出最终结果，方便后续电路的处理。对进行了数模混合仿真验证，结果显示呈良好的线性输出，积分非线性和微分非线性都较小。第六章进行了全文总结和展望。第章图像传感器基本原理和主要参数第章图像传感器基本原理和主要参数图像传感器像素部分主要是由光电二极管、

46、场效应管、放大器和开关组成，本章主要介绍光电二极管感光原理、图像传感器的噪声模型以及图像传感器的主要性能参数。光电二极管感光原理及数学模型光生伏特效应光生伏特效应是基于半导体结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在结内建电场的作用下分开，并分别向如图所示的方向运动，形成光生伏特电压和光生电流的现象。半导体结的能带结构如图所示，当型与型半导体形成结时，区和区的多数载流子要进行相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差，扩散运动平衡时，它们具有如图所示的同一费米能级，并在结区形成由正负离子组成的空间电荷区或耗尽区。空间电荷形

47、成如图所示的内建电场，内建电场的方向由指向。当入射辐射作用于结区时，本征吸收产生的光生电子与空穴将在内建电场力的作用下作漂流运动，电子被内建电场拉到区，而空穴被拉到区。结果区带正电，区带负电，形成伏特电压。入射辐射电子；半穴叫二“一内建电场图半导体结示意图第章图像传感器基本原理和主要参数光电二极管伏安特性图结的能带结构光电二极管在形成光生电势的过程中，光电流如从区流向区，光生电动势使得尸区和区之间产生注入电流。正向导通时，光电二极管的伏安特性与普通二极管相同，可以用式表示。其中乞是州结的反向饱和电流，温度。如果光电二极管外接回路，里兰（灯一）是玻耳兹曼常数，是电子电荷，则伏安特性如式所示；（）丁是绝对，一一）一如（）式中是回路的总电流，方向与相同，是删结两端的电压。光电流由式得出：肪口万（）其中是量子效率，表示每个入射光子产生的电子空穴对数目，是普朗克常数，是单色辐射功率，是入射光波长。若忽略少子形成的扩散电流，量子效率可以表示成式所示：刁（五）一（）式中口是光电材料的吸收系数，与波长和光电材料特性有关。形是势垒区宽度，可以由式计算得出：矿肾（）式中圪，是内建电势，圪是外加反向偏压，是轻掺杂区浓度，气是硅的介电常数