基于EMCCD和CMOS的天基微光成像

电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)利用电荷雪崩机制可以实现低于1e-的读出噪声,适用于微光成像。随着背照式CMOS成像探测器技术的发展,具有高量子效率和低于1.5e-读出噪声的CMOS成像探测器已中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功。针对天基微光成像的需求,分别构建了基于EMCCD CCD201的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机,并建立了系统的噪声模型。对基于EMCCD的天基微光相机和基于CMOS的天基微光相机的微光探测性能和工作机理进行了对比分析。分析结果表明:当采用凝视成像模式,积分时间为2 s,相机入瞳辐亮度为10-9 Wcm-2sr-1m-1时,基于EMCCD的天基微光相机在焦面温度为20℃的条件下的信噪比为23.78,相同条件下基于CMOS的天基微光相机的信噪比为27.42。当采用制冷系统将焦面温度降低至-20℃时,基于EMCCD的天基微光相机的信噪比提高到27.533,而基于CMOS的天基微光相机的信噪比提高到27.79。     

采用卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统设计

利用FPGA实现面阵CMOS传感器数字域TDI功能,可避免模拟域TDI的复杂电路设计、完善CMOS传感器成像方式、并可改进TDI CCD缺陷,具有重大的研究和应用价值。首先分析了同步快门方式和卷帘快门方式实现TDI的差异,然后根据TDI工作原理,提出了更利于微光成像和推扫成像的卷帘数字域TDI算法,并利用设计的CMOS成像系统进行了成像实验。实验结果表明:卷帘数字域TDI算法正确,不仅可以实现等效于积分时间增加或入射照度增强M倍功能的M级积分,而且可明显改善成像质量,将信噪比为18.37 dB的未积分图像通过10级积分提高至32.65 dB。所提出的卷帘数字域TDI技术使得CMOS相机具备了时间延迟积分功能,改善了成像质量,并改进了TDICCD难以调焦和级数不可连续调整的缺陷。     

微光探测成像系统电路设计与实现

为满足微光遥感卫星领域对微光探测的需求,本文提出了一种基于微光CMOS图像传感器GSENSE2020的成像电路设计。该成像电路通过FPGA实现了对图像传感器的驱动控制以及高速图像数据的接收和传输,通过DC/DC和LDO（low dropout regulator）为图像传感器提供了低噪声供电电源,采用PMIC（power management IC）解决了FPGA上电时序问题,利用DDR3实现高速图像缓存与处理,采用eMMC达到图像数据存储速率与容量的需求,应用FPGA的IP核及原语代替CameraLink接口转换芯片实现CameraLink通信协议,从而完成图像数据直接在CameraLink接口的高速传输。实验结果表明,成像系统电路功能及性能都达到了预期设计目标,系统的输出数据率可达2.4 Gbps,帧频高达25 fps,信噪比达到45.5 dB。     

灯光干扰对微光成像系统性能的影响

根据灯光干扰源作用微光成像系统的两种途径，建立了灯光干扰辐射传输模型；分析了灯光干扰对微光成像系统响应特性的影响，建立了灯光干扰辐射能量与系统响应特性的量化关系模型；以实测和理论计算数据为基础构建了仿真平台，实现了灯光干扰下微光成像的模拟仿真，并对仿真图像的灰度均值、均方误差和相关函数进行了计算，结果表明微光成像质量与灯光干扰源位置和亮度有直接关系，且灯光干扰源位置的不同会导致灰度相关函数变化趋势的差异；进行了灯光干扰实验，实验结果和模拟结果的成像质量变化趋势基本一致，同时实验结果表明灯光干扰会导致目标与背景成像对比度增大，且随着干扰距离增大到一定距离后，逐渐减小至小于无干扰时。     

一体化EMCCD微光相机的设计

电子倍增电荷耦合器件(E1ectron Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)是一种新型高灵敏度图像传感器。近年来,EMCCD相机在微光探测领域的应用越来越广泛。为了在微光相机中应用新型EMCCD器件,设计了一种探测能力强、数据更新快、具有一体化光纤接口的微光成像系统。主要研究了EMCCD相机的设计方法,说明了EMCCD的工作原理,论述了基于TC253SPD—BO的EMCCD微光相机的设计方案。用成像实验和信噪比测试实验验证了所设计的一体化微光相机的性能。结果表明,该相机不仅可以实现20km以上的数据传输和30f/s的拍摄帧频,而且还可实现弱光条件下的探测功能,并具有较高的系统信噪比。     

三代微光像增强器亮度增益对像质影响的分析

为研究三代微光像增强器亮度增益对像质的影响,提出对不同增益条件下荧光屏输出图像的像质进行对比分析,以提高三代微光像增强器的成像质量。首先,在三代微光像增强器的理论基础上,论证了亮度增益会直接影响像增强器的成像质量。然后,通过图像质量评价的两个重要参数信噪比和分辨力,建立像质评价系统并搭建实验装置。最后,通过实验结果表明,在无月夜天光照度条件下,当亮度增益取得最佳值时,输出图像在视场明亮清晰的同时分辨力由32 lp/mm提升至40.3 lp/mm。证明该研究对夜间环境中,如何通过合理设置亮度增益值使微光夜视仪获得最佳成像质量具有指导意义。     

外场微光像增强器成像效果对比评测方法与系统

以像增强器为核心成像器件的微光夜视技术一直是国内外重点发展的关键技术,广泛应用于军用夜视领域。直接对比分析不同型号像增强器输出图像特性的评测方法是评价像增强器成像性能最为直观的重要维度,但由于像增强器为直视型成像器件,带来野外实验光路搭建、多路视频同步录制、不同外型尺寸像增强器适配性等多方面的挑战。因此,本文研究了外场微光像增强器成像效果对比评测方法,研制了包含双像增强器成像光路、低照度CMOS成像光路与激光测距机的光轴平行对比评测系统,可实现同时观察和多路像相机的成像数字视频的采集;系统可便捷地适配安装多种不同外型尺寸、不同供电方式的典型像增强器,同时包含激光测距功能,可测量观察目标的距离;在上位机软件中集成多个无参考图像质量评价指标,可通过数字图像处理技术辅助观察者判断不同型号像增强器成像效果的优劣。实际外场测试实验表明测评系统方便可行,能够反映不同成像光路的成像效果,可反馈指导像增强器生产制造工艺的进一步优化,促进微光夜视技术的发展。     

激光主动成像系统探测距离的计算与仿真

为了准确计算主动成像系统的工作距离,利用激光照明模型,根据成像过程中影响系统成像质量的因素,建立了激光主动成像系统的信噪比模型。根据相机发现识别目标所需要的信噪比阈值,脉冲激光器I、CCD接收器的性能指标,大气消光系数等参数,推导出激光主动成像系统的工作距离公式。利用工作波长为0.532μm的脉冲Nd∶YAG激光器,CCD相机,以及基于CPLD技术设计的距离选通同步控制板,进行了主动成像实验,并且完成了系统探测距离的计算与仿真。     

电子倍增CCD噪声来源和信噪比分析

作为一种高灵敏度的图像传感器,电子倍增CCD(EMCCD)在微光成像领域应用前景非常广泛.详细分析了其噪声来源,重点讨论EMCCD相比普通科学级CCD特有的乱真电荷和噪声因子,计算信噪比.在噪声来源和信噪比分析过程中提出驱动波形优化设计方法,为成像系统电子学部分设计提供理论参考.     

基于张量优化的高动态范围微光相机设计与实现

针对空间低照度环境下,互补金属氧化物半导体(CMOS)相机成像视觉效果不佳的问题,基于张量优化的图像融合方法研制一款高动态范围的微光相机。分析基于科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器亮暗场双通道ADC的电路特性,利用同源双通道图像数据构建三阶特征张量,通过对特征张量的平行因子分析,以融合图像动态范围最优为评价函数,引入拉格朗日乘数法作为张量分解的优化算法,实现实时的高分辨力高动态范围成像。研制一款基于LTN4625的微光相机,并进行成像实验。仿真实验结果表明,相机实现了50帧/s,4 608×2 592像素的高分辨力高动态范围成像,图像动态范围从低增益数据的5.2 dB和高增益数据的11.4 dB提高到了54.7 dB。该设计是一种微弱光环境下动态响应范围高、成像效果好的微光相机设计方法。     

基于图像处理的光电传感器光路检测与调整方法研究

提出了一种基于图像处理的反射式强度调制型光电传感器光路调整方法.考虑了光源光阑等器件对光路的影响,利用面阵CMOS器件采集传感器出射光斑的图像,并通过图像处理的方法分别计算光斑的几何中心与能量中心,得到偏心误差值,以此为依据调整传感器光路,达到改善光斑光强分布的目的.文中对测量系统、调整方法、光斑参数计算等做了详细说明,并给出了调整前后的光斑图像.试验结果表明,这种方法的测量原理简单、测量精度高,可以有效地改善传感器的光强分布状况.     

An Activity-Triggered 95.3 dB DR $-$75.6 dB THD CMOS Imaging Sensor With Digital Calibration

Imaging sensors are being used as data acquisition systems in new biomedical applications. These applications require wide dynamic range (WDR), high linearity and high signal-to-noise ratio (SNR), which cannot be met simultaneously by existing CMOS imaging sensors. This paper introduces a new activity-triggered WDR CMOS imaging sensor with very low distortion. The new WDR pixel includes self-resetting circuits to partially quantize the photocurrent in the pixel. The pixel residual analog voltage is further quantized by a low-resolution column-wise ADC. The ADC code and the partially quantized pixel codes are processed by column-wise digital circuits to form WDR images. Calibration circuits are included in the pixel to improve the pixel linearity by a digital calibration method, which requires low calibration overhead. Current-mode difference circuits are included in the pixel to detect activities within the scene so that the imaging sensor captures high quality images only for scenes with intense activity. A proof-of-concept 32 times 32 imaging sensor is fabricated in a 0.35 mum CMOS process. The fill factor of the new pixel is 27%. Silicon measurements show that the new imaging sensor can achieve 95.3 dB dynamic range with low distortion of -75.6 dB after calibration. The maximum SNR of the sensor is 74.5 dB. The imaging sensor runs at frame rate up to 15 Hz.     

Analog inner product operations for image compression in 0.35-μm CMOS

We propose a new model for analyzing the sensitivity of inner products to CMOS analog hardware implementation. It is derived from Spice simulations of the circuits to be implemented, and it is required for the design of analog image compression systems based on vector quantization at the focal plane of CMOS imaging sensors. The model is shown to be equivalent to a simpler and previously introduced theoretical model, if the errors caused by the fabrication process are around 6%. For 1.5% errors, the results differ from the theoretical predictions made by the previous model. Image compression results obtained with a prototype circuit fabricated in a 0.35-μm CMOS process are presented, and show close agreement with both theoretical and simulation predictions.     

面阵CMOS图像传感器性能测试及图像处理

CMOS图像传感器具有驱动简单、单电源供电、集成度高、功耗低、抗辐射能力强等优点。但是在航天光学遥感领域,CMOS图像传感器应用还不普遍。在该领域亟需大规模、高读出速度、大动态范围的图像传感器,CMOS图像传感器LUPA4000正是这样一款高性能面阵图像传感器,因此,选择LUPA4000作为研究对象,对其缺陷像元、光响应非均匀性、信噪比等性能指标进行测试。测试结果表明存在缺陷像元数量多、光响应非均匀性较大、信噪比较低等问题。根据测试结果采用暗背景扣除、缺陷像元替换、非均匀校正三种方法进行图像处理。对每种方法单独处理和各种方法组合处理的处理效果从图像信噪比和成像图像质量两方面进行分析评估,结果表明:非均匀校正联合缺陷像元替换的处理方法处理效果最佳。     

A Wide Dynamic-Range CMOS Image Sensor Using Self-Reset Technique

A wide dynamic-range (DR) pixel-level CMOS image sensor with self-reset technique has been fabricated using a 0.18-mum six-metal CMOS technology and tested to verify simultaneous increase of both DR and peak signal-to-noise ratio (SNR). It provides a continuous peak SNR enhancement over a strong incident light range. Maximum achievable DR is measured over 71.1 dB, and SNR keeps increasing at 7.3 dB/decade beyond conventional CMOS image sensors.     

一种基于双通道CMOS相机的低照度动态场景HDR融合方法

高动态范围成像技术能够全面有效反映场景信息,有利于在高动态范围场景下获得高质量的成像。但当前常用的基于单台相机的多次曝光融合方法在动态场景下易出现“鬼影”问题,基于多个传感器同时曝光的系统复杂且价格昂贵,基于单幅低动态范围图像的拓展方法易丢失欠曝光或过曝光区域的细节信息,且多用于较好的照明条件。针对低照度动态场景成像,研究了一种基于双通道低照度CMOS相机的高动态范围图像融合方法,对双通道CMOS相机采集低照度动态场景两幅不同曝光图像,依据累计直方图拓展原则分别进行动态范围拓展,并采用像素级融合方法对动态范围拓展的序列图像进行融合。实验表明,动态范围拓展融合方法可满足低照度动态场景下获取高动态范围图像的应用要求,获得更佳的成像质量。     

深紫外CMOS图像传感器测试匀光系统设计

匀光系统的均匀性是实现深紫外CMOS图像传感器参数测试的关键。根据傅里叶光学理论,结合ArF准分子激光输出光斑特点,设计了复眼阵列匀光系统的初始结构,并在ZEMAX非序列模式下建立了匀光系统模型。针对ZEMAX光源中光线采样随机性的特点及匀光系统均匀性的要求,对追迹光线数目及复眼阵列中透镜元个数进行了优化。在透镜元大小为1mm、采用1亿根光线并做30次平均后,在12mm×12mm光斑范围内获得了均匀性为0.986的均匀照明光斑,满足CMOS图像传感器测试对光斑均匀性优于0.97的要求。     

Performance analysis of a color CMOS photogate image sensor

The performance of a color CMOS photogate image sensor is reported. It is shown that by using two levels of correlated-double sampling it is possible to effectively cancel all fixed-pattern noise due to read-out circuit mismatch. Instead the fixed-pattern noise performance of the sensor is limited by dark current nonuniformity at low signal levels, and conversion gain nonuniformity at high signal levels. It is further shown that the imaging performance of the sensor is comparable to low-end CCD sensors but inferior to that reported for high-end CCD sensors due to low quantum efficiency, high dark current, and pixel cross-talk. As such the performance of CMOS sensors is limited at the device level rather than at the architectural level. If the imaging performance issues can be addressed at the fabrication process level without increasing cost or degrading transistor performance, CMOS has the potential to seriously challenge CCD as the solid-state imaging technology of choice due to low power dissipation and compatibility with camera system integration