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智能CMOS图像传感器与应用

作者:(日)Jun Ohta 著 史再峰 徐江涛 姚素英 译
定价:49
印次:1-8
ISBN:9787302399803
出版日期:2015.08.01
印刷日期:2022.10.21

自鸿蒙而始,人类就是通过眼、耳、鼻、口、舌等器官来感知外界客观世界的,其中80%以上的信息来自于视觉。新技术的革命使人类社会开始进入信息时代,被称为“电五官”的传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。固体图像传感器作为人类视觉器官的延伸,是一种高度集成化的半导体光敏元阵列,具有体积小、工作电压低、性能稳定、畸变小等优点。 CMOS型和CCD型是常用的两类固体图像传感器。近年来CMOS图像传感器技术发展迅速,在消费电子、机器视觉、智能监控等许多应用领域,已取代CCD图像传感器而占据了主流市场,并且更多地应用到生物医学、航空航天等重要领域。智能CMOS图像传感器是内部集成了智能处理功能电路的CMOS图像传感器,相比传统的图像传感器,具有更加优越的性能,而且可以实现许多传统图像传感器无法实现的功能,应用前景相当广阔。 本书是一本关于智能CMOS传感器的特性和应用方面的书。前半部分主要介绍了CMOS图像传感器的原理和结构,后半部分主要介绍了智能CMOS图像传感器的关键要素及应用。全书通过递进的结构,循序渐进、力求清晰完整地给出智能CMOS图像传感器领域的关键要素,并给出了一些比较新颖的智能CMOS图像传感器的应用,如涉及信息通信、生物技术和医学方面的几类应用。本书作者Jun Ohta博士是日本著名的图像传感器领域的专家,有着多年的研究经验,本书是其多年科研工作的结晶。在电子科学和通信技术飞速发展的今天,引进一些国外原版教材对国内的科研事业是很有好处的。我们翻译此书的目的是促进智能CMOS图像传感器的相关知识在高校中的普及和发展,拓宽读者的视野,为他们将来的研究提供参考。本书可以作为微电子及其相关专业高年级本科生、研究生或相关工程技术人员的参考教材,在学习和科研过程中会很有帮助。

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智能CMOS图像传感器主要强调在图像传感器上实现智能的功能和系统应用。某些智能图像传感器已进行商用,还有一些仅是提出概念而已。智能CMOS图像传感器领域发展迅速,同时还在促进发明更多的新型传感器。尽管我在这本书中一直努力收集关于智能CMOS图像传感器及其应用领域的相关文献资料,然而这个领域实在太广泛了,以至于部分内容难以尽述。此外,该领域的发展实在太迅速了,以至于在成书的过程中新的热点话题就已经出现。不过,我相信这本书已经充分覆盖了智能CMOS图像传感器领域的关键要素,所以它对于该领域的研究生和工程师还是会很有帮助的。 这本书的主要结构如下。首先第1章对MOS成像和智能CMOS图像传感器进行了介绍。第2章描述了CMOS图像传感器的基本要素和光电器件物理的相关知识,同时介绍了典型的CMOS图像传感器(如有源像素传感器(APS))的结构。接下来对智能成像器件描述的几个章节构成了本书的主要部分。第3章介绍了智能CMOS图像传感器的几个主要特征。第4章介绍了利用这些特征进行智能成像的技术,如宽动态范围图像检测、目标跟踪和三维测距等。在最后一章(即第5章)介绍了几个关于智能CMOS图像传感器的应用实例。 这项工作受到了众多先前出版的涉及CMOS图像传感器技术的书籍的启发。特别是: A.Moini的Vision Chips[1]一书对视觉芯片的结构进行了全面概述; J.Nakamura的Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras[2]一书全面介绍了此领域近年来的发展成果; K.Yonemoto的Fundamentals and Applications of CCD/CMOS Image Sensors一书以及O.YadidPecht与R.EtinneCummings合著的CMOS Imagers: From Phototransduction To Image Processing[4]一书,对CCD和CMOS成像器件进行了详尽深入的概述。其中给我印象最深刻的是K.Yonemoto的著作,可惜该书只有日文版本。我殷切希望现在的工作能有助于阐明这一领域的研究,作为对Yonemoto的书的有益补充。这本书的成书还受到了在相关领域许多其他日本高级研究人员的著作的影响,包括Y.Takamura、Y.Kiuchi、T.Ando和H.Komobuchi 等诸位专家。J.P.Theuwissen关于CCD的著作对本书的形成也很有帮助。 我衷心感谢所有对这本书提供直接或者间接帮助的人。特别是,我在奈良科技研究院的材料科学研究所光学器件实验室的同事Takashi Tokuda教授和Keiichiro Kagawa教授,他们对本书的重要贡献体现在第5章的主要部分。Masahiro Nunoshita教授在实验室初期总是给予不断的支持和鼓励; 实验室秘书Kazumi Matsumoto在许多行政事务上给予大力支持和帮助; 实验室在读和已毕业的研究生做出了卓有成效的研究。没有他们的努力这本书是无法问世的,我想对这些人致以诚挚的谢意。 关于人工视网膜主题部分,需要感谢视网膜假体项目的负责人Yasuo Tano教授、Takashi Fujikado教授、Tetsuya Yagi教授和大阪大学的Kazuaki Nakauchi博士。同时感谢Nidek有限公司的人工视网膜项目组成员Motoki Ozawa、Shigeru Nishimura博士、Kenzo Shodo、Yasuo Terasawa、Hiroyuki Kanda博士、Akihiro Uehara博士和Naoko Tsunematsu。深深感谢该项目顾问委员会成员东京大学的Ryoichi Ito名誉教授和大阪大学的Yoshiki Ichioka名誉教授。视网膜假体项目由日本新能源与工业技术发展组织(NEDO)的下一代战略技术专项提供资助,还有来自日本卫生与劳动福利部的劳动与健康基金提供的资助。同时感谢人体内窥图像传感器科研项目组的Sadao Shiosaka教授、Hideo Tamura教授和David C.Ng博士。这本书的部分工作内容还得到了STARC(半导体技术社研究中心)的支持,我在这里同时也感谢研究解调CMOS图像传感器的Kunihiro Watanabe及其合作者。 我第一次进入CMOS图像传感器研究领域是在1992—1993年,那时我是科罗拉多大学博尔德分校Kristina M.Johnson教授的访问研究员。在那里的经历是很令人振奋的,它让我在回到三菱电气集团后的起步研究中受益颇丰。我要感谢在三菱电气集团的所有同事的帮助和支持,包括Hiforumi Kimata教授、Shuichi Tai博士、Kazumasa Mitsunaga博士、Yutaka Arima教授、Masahiro Takahashi教授、Masaya Oita、Yoshikazu Nitta博士、Eiichi Funatsu博士、Kazunari Miyake博士、Takashi Toyoda等。 真诚地感谢Masatoshi Ishikawa教授、Mitumasa Koyanagi教授、Jun Tanida教授、Shoji Kawahito教授、Richard Hornsey教授、Pamela Abshire教授、Yasuo Masaki和Yusuke Oike博士允许我在书中使用他们的数据。我从日本图像信息和电视工程师协会的成员Masahide Abe教授、Shoji Kawahito教授、Takayuki Hamamoto教授、Kazuaki Sawada教授、Junichi Akita教授和日本众多图像传感器组的研究人员,包括Shigeyuki Ochi博士、Yasuo Takemura博士、Takao Kuroda、Nobukazu Teranishi、Kazuya Yonemoto博士、Hirofumi Sumi博士、Yusuke Oike博士和其他人员那学到了许多知识。特别想感谢Taisuke Soda,是他提供给我出版这本书的机会; 还要感谢Pat Roberson、Taylor和Francis/CRC在完成这本书过程中的耐心。没有他们持续不断的鼓励,我是不可能完成这本书的。 我将向Ichiro Murakami致以最深切的感谢,他总是激起我在图像传感器和相关主题的研究热情。最后,我想对我爱妻Yasumi致以特别的谢意,感谢她在成书的漫长过程中对我的理解与支持。 Jun Ohta 2007年7月于奈良

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  • 第1章引言

    1.1综述

    1.2CMOS图像传感器的简史

    1.3智能CMOS图像传感器发展简史

    1.4本书的内容安排

    第2章CMOS图像传感器技术基础

    2.1概述

    2.2光电探测器的基本原理

    2.2.1吸收系数

    2.2.2少数载流子的行为

    2.2.3灵敏度和量子效率

    2.3智能CMOS图像传感器中的光电探测器

    2.3.1PN结光电二极管

    2.3.2光电门

    2.3.3光电晶体管

    2.3.4雪崩光电二极管

    2.3.5光电导探测器

    2.4PD的积累模式

    2.4.1积累模式下的电势变化

    2.4.2势垒描述

    2.4.3PD中光生载流子的运动

    2.5基本像素结构

    2.5.1无源像素传感器

    2.5.23TAPS有源像素传感器

    2.5.34TAPS有源像素传感器

    2.6传感器的外设

    2.6.1寻址

    2.6.2读出电路

    2.6.3模拟数字转换器

    2.7传感器的基本特性

    2.7.1噪声

    2.7.2动态范围

    2.7.3速度

    2.8色彩

    2.9像素共享

    2.10像素结构比较

    2.11与CCD的比较

    第3章智能功能和材料

    3.1简介

    3.2像素结构

    3.2.1电流模式

    3.2.2对数传感器

    3.3模拟域操作

    3.3.1WTA模式

    3.3.2映射

    3.3.3电阻网络

    3.4脉冲调制

    3.4.1脉冲宽度调制

    3.4.2脉冲频率调制

    3.5数字处理

    3.6硅以外的材料

    3.6.1绝缘体上硅

    3.6.2扩展检测波长

    3.7非标准CMOS技术结构

    3.7.13D集成

    3.7.2集成光发射器

    3.7....

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