圖像傳感芯片是一款包含像素陣列及其驅(qū)動電路、模擬讀出電路、數(shù)字控制電路、鎖相環(huán)與偏置電路、接口電路等模塊的復(fù)雜光電集成芯片。本書系統(tǒng)地介紹圖像傳感芯片的基本概念、結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，共10章。第1～4章，內(nèi)容側(cè)重于圖像傳感芯片背景和基礎(chǔ)理論，包括發(fā)展歷史、性能指標(biāo)、傳感原理和芯片構(gòu)成；第5～10章，根據(jù)具體應(yīng)用詳細闡述不同類型圖像傳感芯片的原理與技術(shù)手段，包括大動態(tài)范圍成像、單光子成像、光飛行時間成像、線陣與 TDI成像、光譜成像、仿生動態(tài)視覺成像等。

牽頭教學(xué)成果獲評2022年高等教育（研究生）國家級教學(xué)成果二等獎（第1）/2022 年天津市高等教育（研究生）教學(xué)成果特等獎（第1）。牽頭科研成果獲評第二十二屆中國專利優(yōu)秀獎（第1）/2019天津市專利金獎（第1）、2022年天津市科技進步一等獎（第1）、2018天津市科技進步一等獎（第1）。個人獲評國家高層次人才計劃領(lǐng)軍人才、天津市中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、第十五屆天津青年科技獎、中國電子學(xué)會優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師、天津市優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師、天津大學(xué)第九屆“教書育人先進工作者標(biāo)兵”、天津大學(xué)研究生“我心目中的好導(dǎo)師”等榮譽。

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 圖像傳感系統(tǒng) 1
1.2 圖像傳感系統(tǒng)發(fā)展概述 4
1.2.1 光電探測器技術(shù) 4
1.2.2 圖像傳感芯片技術(shù) 6
1.2.3 未來發(fā)展趨勢 9
1.3 圖像傳感芯片典型應(yīng)用場景 11
1.3.1 圖像傳感芯片用于移動設(shè)備領(lǐng)域 11
1.3.2 圖像傳感芯片用于安防監(jiān)控領(lǐng)域 12
1.3.3 圖像傳感芯片用于車載領(lǐng)域 12
1.3.4 圖像傳感芯片用于三維成像和測距 13
1.3.5 圖像傳感芯片用于空間領(lǐng)域 14
1.3.6 圖像傳感芯片用于熒光壽命成像領(lǐng)域 15
參考文獻 15
第2章 圖像傳感芯片指標(biāo) 17
2.1 圖像傳感器的分類 17
2.1.1 CCD圖像傳感器與CMOS 圖像傳感器 17
2.1.2 面陣圖像傳感器與線陣圖像傳感器 19
2.1.3 二維圖像傳感器與三維圖像傳感器 19
2.1.4 模擬輸出、數(shù)字輸出與SoC 型圖像傳感器 20
2.1.5 正照式圖像傳感器與背照式圖像傳感器 21
2.1.6 滾筒式曝光圖像傳感器與全局曝光圖像傳感器 22
2.1.7 典型圖像傳感器簡介 23
2.2 工作條件 29
2.2.1 工作溫度、供電電壓與環(huán)境輻照 29
2.2.2 圖像傳感芯片工作載板 30
2.3 圖像傳感芯片參數(shù) 31
2.3.1 分辨率 31
2.3.2 填充因子 31
2.3.3 吸收系數(shù) 32
2.3.4 量子效率 32
2.3.5 轉(zhuǎn)換增益 33
2.3.6 全局系統(tǒng)增益 33
2.3.7 靈敏度 34
2.3.8 滿阱容量 35
2.3.9 暗電流 35
2.3.10 噪聲 36
2.3.11 非均勻性 39
2.3.12 信噪比 40
2.3.13 動態(tài)范圍 40
2.3.14 量化位數(shù) 41
2.3.15 幀頻與功耗 41
2.3.16 圖像處理計算量 41
參考文獻 42
第3章 圖像傳感芯片感光機理和關(guān)鍵工藝 43
3.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 43
3.1.1 硅的光電效應(yīng) 43
3.1.2 載流子的產(chǎn)生 44
3.1.3 載流子的復(fù)合 46
3.1.4 光線的反射 46
3.1.5 光電流的收集 46
3.1.6 光電流的積分和轉(zhuǎn)換 50
3.2 光電探測器件及像素結(jié)構(gòu) 53
3.2.1 光電探測器件 53
3.2.2 CCD像素結(jié)構(gòu) 55
3.2.3 CMOS像素結(jié)構(gòu) 56
3.3 CMOS圖像傳感器關(guān)鍵工藝 63
3.3.1 CMOS工藝流程 63
3.3.2 正照與背照技術(shù) 70
3.3.3 三維堆疊技術(shù) 72
3.3.4 光刻板拼接技術(shù) 74
參考文獻 77
第4章 CMOS圖像傳感芯片 78
4.1 CMOS圖像傳感芯片架構(gòu) 78
4.2 CMOS圖像傳感芯片電路模塊 83
4.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 83
4.2.2 相關(guān)雙采樣電路 93
4.2.3 電荷泵 97
4.2.4 帶隙基準(zhǔn) 106
4.2.5 鎖相環(huán) 109
4.2.6 總線 114
4.2.7 高速接口 120
4.2.8 圖像信號處理器 126
4.3 CMOS圖像傳感器仿真模型 129
4.3.1 光電轉(zhuǎn)換模塊 130
4.3.2 電壓轉(zhuǎn)換模塊 134
4.3.3 源極跟隨器 136
4.3.4 讀出電路 144
4.3.5 陣列仿真模塊 146
參考文獻 149
第5章 大動態(tài)范圍圖像傳感芯片 150
5.1 大動態(tài)范圍成像原理 150
5.1.1 動態(tài)范圍分析 150
5.1.2 大動態(tài)范圍成像挑戰(zhàn) 153
5.2 動態(tài)范圍擴展技術(shù) 155
5.2.1 多次曝光技術(shù) 155
5.2.2 非線性響應(yīng)像素設(shè)計 158
5.2.3 多靈敏度設(shè)計 161
5.3 典型應(yīng)用 165
5.3.1 消費電子 165
5.3.2 智能駕駛 165
參考文獻 166
第6章 單光子圖像傳感器 167
6.1 單光子雪崩二極管 167
6.1.1 概述 167
6.1.2 SPAD像素 168
6.1.3 前端電路 173
6.1.4 典型應(yīng)用 178
6.2 電子倍增CCD 178
6.2.1 概述 178
6.2.2 芯片架構(gòu)與工作原理 179
6.2.3 倍增寄存器 180
6.2.4 主要參數(shù) 181
6.2.5 典型應(yīng)用 182
6.3 量子圖像傳感器 183
6.3.1 概述 183
6.3.2 工作原理與芯片架構(gòu) 184
6.3.3 理論參數(shù) 186
6.3.4 QIS像素 193
6.3.5 低噪聲讀出電路設(shè)計 197
6.3.6 典型應(yīng)用 202
參考文獻 203
第7章 基于飛行時間的深度圖像傳感芯片 205
7.1 三維成像技術(shù) 205
7.1.1 三維成像技術(shù)原理 205
7.1.2 三維成像技術(shù)分類與對比 206
7.2 DToF圖像傳感芯片 212
7.2.1 DToF圖像傳感芯片工作原理 212
7.2.2 DToF像素 216
7.2.3 DToF圖像傳感芯片中的TDC 219
7.2.4 DToF三維圖像傳感器行為級模型 227
7.3 IToF圖像傳感芯片 232
7.3.1 IToF圖像傳感芯片工作原理 232
7.3.2 IToF像素 237
7.3.3 IToF圖像傳感芯片關(guān)鍵電路 244
7.3.4 IToF三維圖像傳感器行為級模型 248
7.4 典型應(yīng)用 253
7.4.1 自動駕駛 254
7.4.2 消費電子 255
參考文獻 256
第8章 線陣圖像傳感器芯片 258
8.1 線陣圖像傳感器 258
8.1.1 線陣成像基本原理 258
8.1.2 時間延時積分成像技術(shù) 258
8.1.3 TDI圖像傳感器的評價指標(biāo) 260
8.2 TDI-CCD圖像傳感器 262
8.2.1 CCD的工作原理 262
8.2.2 CCD的轉(zhuǎn)移方式 269
8.2.3 TDI-CCD圖像傳感器工作原理 273
8.3 TDI-CMOS圖像傳感器 274
8.3.1 曝光方式 274
8.3.2 信號累加方式 280
8.3.3 讀出電路 291
8.4 典型應(yīng)用 292
參考文獻 294
第9章 光譜圖像傳感芯片 296
9.1 光譜成像技術(shù)與成像系統(tǒng) 296
9.1.1 光譜感知理論 297
9.1.2 光譜成像技術(shù) 297
9.1.3 光譜分光類型 298
9.2 光譜圖像傳感芯片成像技術(shù) 304
9.2.1 基于光子晶體濾波的成像技術(shù) 304
9.2.2 基于微納結(jié)構(gòu)濾波的成像技術(shù) 307
9.2.3 基于光譜透鏡的成像技術(shù) 311
9.2.4 光譜圖像重建方法 311
9.3 典型應(yīng)用 314
9.3.1 遙感探測 314
9.3.2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 315
9.3.3 醫(yī)療影像 315
9.3.4 環(huán)境監(jiān)測 316
參考文獻 317
第10章 仿生智能圖像傳感芯片 319
10.1 仿生視覺系統(tǒng) 319
10.1.1 生物視覺成像機理 319
10.1.2 仿生智能視覺傳感器 323
10.2 動態(tài)視覺傳感器 326
10.2.1 差分型像素 326
10.2.2 信號傳輸方式 331
10.2.3 基于動態(tài)視覺傳感器的其他成像結(jié)構(gòu) 333
10.3 脈沖陣列仿生視覺傳感器 337
10.3.1 脈沖調(diào)制像素結(jié)構(gòu) 339
10.3.2 異步復(fù)位型脈沖像素結(jié)構(gòu) 342
10.3.3 基于變化閾值的脈沖視覺圖像重構(gòu)方法 346
10.4 感存算一體仿生視覺傳感器 350
10.4.1 感存算一體智能傳感器典型成果 351
10.4.2 感存算一體智能傳感器架構(gòu) 352
10.5 典型應(yīng)用 354
參考文獻 357