智能CMOS图像传感器与应用（第2版）（电子信息前沿技术丛书） pdf下载

本书是智能CMOS图像传感器入门经典，深入浅出地介绍固态图像传感器的原理和像素结构，详细阐述各种新型智能CMOS图像传感器的架构和设计方法，简要介绍在信息通信技术（ICT）、化学、生物学以及医学等领域的智能应用实例。附录提供有关常数、照度、MOSFET特性和光学分辨率的一系列信息，包括智能材料、智能成像和应用的扩展。本书采用循序渐进的叙述方式，力求为读者带来对智能CMOS图像传感器关键技术的全面解读。

本书可作为高校集成电路、微电子、电子科学与技术等专业的本科生、研究生教材，也可供相关领域的科研人员、工程技术人员参考。

1.作者：

Jun Ohta(太田淳) ，分别于1981年、1983年和1992年在东京大学应用物理学专业获得学士、硕士和博士学位，1998年评为日本奈良科技学院副教授，2004年评为教授，2021年起担任奈良科技学院的执行理事和副校长。一直从事光电子集成电路和人工视网膜芯片的研究，研究领域包括智能CMOS图像传感器、视网膜假体设备和系统等。曾获多个奖项，包括日本电子情报通信学会最佳论文奖、市村奖、日本国家发明奖、丹羽高柳奖、林严雄奖、日本电子情报通信学会成就奖等。IEEE、日本应用物理学会和日本电气工程师学会高级成员，《IEEE生物医学电路与系统》《日本应用物理杂志》等期刊副主编，担任IEEE ISSCC、IEEE BioCAS等知名会议的技术委员会和大会联合主席。

2.译者：

（1）史再峰，天津大学英才副教授。研究领域包括成像感知与计算、VLSI设计等。讲授“数字集成电路设计”“SoC设计方法学”等课程。主持国家自然科学基金等多个项目，获中国专利优秀奖、天津市科学技术进步奖一等奖、天津市教学成果特等奖、天津市工程专业学位优秀指导教师等荣誉。编写和翻译出版《SoC设计方法与实现》等3部教材或专著。

（2）高静，天津大学英才副教授。研究领域包括混合集成电路设计等。讲授“模拟集成电路设计”等课程。主持国家自然科学基金项目和国家重点研发课题等项目。获天津市科学技术进步奖一等奖、天津市专利金奖、中国专利优秀奖等荣誉。

（3）徐江涛，天津大学英才教授。长期从事集成电路设计技术研究。讲授“混合信号设计技术”“高等模拟集成电路”等课程。主持国家科技重大专项课题等重大项目十余项。获天津市高等教育（研究生）教学成果特等奖、中国专利优秀奖、天津市科学技术进步奖一等奖、天津市专利金奖、中国电子学会优秀硕士学位论文指导教师等荣誉。

目录

第1章绪论

1．1综述

1．2CMOS图像传感器简史

1．2．1MOS图像传感器与CCD图像传感器的对比

1．2．2像素内置放大器型固态传感器

1．2．3如今的CMOS图像传感器

1．3智能CMOS图像传感器简史

1．3．1视觉芯片

1．3．2CMOS工艺和智能CMOS图像传感器的发展

1．3．3高性能的智能CMOS图像传感器

1．4本书的内容安排

第2章CMOS图像传感器基础

2．1简介

2．2光电探测器的基本原理

2．2．1吸收系数

2．2．2少数载流子的运动

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栅极感光传感器

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

2．4光电二极管的累积模式

2．4．1累积模式下的电势变化

2．4．2电势分布

2．4．3光电二极管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有源像素传感器

2．5．34T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模数转换器

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

2．8．1片上彩色滤光片型

2．8．2三成像传感器型

2．8．3三色组合光源型

2．9像素结构比较

2．10CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较

第3章智能结构和材料

3．1简介

3．2智能像素

3．2．1模拟型像素

3．2．2脉冲调制型像素

3．2．3数字型像素

3．3智能材料和结构

3．3．1绝缘体上硅

3．3．2扩展到近红外区

3．3．3背照式CMOS图像传感器

3．3．4三维集成

3．3．5用于颜色识别的智能结构

3．4智能CIS的专用像素阵列和光学元件

3．4．1相位差检测自动对焦

3．4．2全景成像

3．4．3受生物学启发的图像传感器

3．4．4光场相机

3．4．5偏振成像

3．4．6无透镜成像

第4章智能成像

4．1简介

4．2高灵敏度

4．2．1降低暗电流

4．2．2差分APS

4．2．3高转换增益像素

4．2．4单光子雪崩二极管

4．2．5列并行处理

4．3高速度

4．3．1概述

4．3．2全局曝光

4．3．3高速成像的列或像素并行处理

4．3．4超高速

4．4宽动态范围

4．4．1概述

4．4．2非线性响应

4．4．3线性响应

4．5解调

4．5．1概述

4．5．2相关法

4．5．3双电荷积累区法

4．6三维测距

4．6．1概述

4．6．2飞行时间

4．6．3三角测距

第5章应用

5．1简介

5．2信息与通信技术方面的应用

5．2．1无线光通信

5．2．2光学识别标签

5．3化学工程方面的应用

5．3．1旋光性成像

5．3．2pH成像传感器

5．4生物科学与生物技术方面的应用

5．4．1附着型

5．4．2片上型

5．4．3植入型

5．5医学方面的应用

5．5．1胶囊型内窥镜

5．5．2视网膜假体

参考文献

附录A常量表

附录B光照度

附录C人眼和CMOS图像传感器

附录D可见光和红外光的波长区域

附录EMOS电容的基本特性

附录FMOSFET的基本特征

附录G光学格式和分辨率

附录H本征光信号和体内窗口

第2版前言

本书作为2007年出版的《智能CMOS图像传感器及其应用》一书的第2版，其编著目的和宗旨依旧遵照上一版。在此，我重申在第1版前言中阐述之目的：

智能CMOS图像传感器是突出在图像传感器上实现智能的功能和系统应用。人们提出了一些智能图像传感器的概念，并且其中的一些智能图像传感器已经商业化。智能CMOS图像传感器领域不仅发展迅速，还催生了更多的新型传感器。尽管我在这本书中试图穷尽关于智能CMOS图像传感器及其应用领域的相关文献资料，但该领域涉及的内容不胜枚举，有些部分难以尽述。此外，该领域的发展瞬息万变，在成书的过程中难免已经出现新的热点话题。不过，我相信本书已完整涵盖了智能CMOS图像传感器领域的所有关键要素，它将帮助该领域的研究生和工程师展开新一阶段的工作。

时光荏苒，距本书第1版出版已有12载，图像传感器领域发生了翻天覆地的变化。如今的智能手机不仅配置了前置和后置两组摄像头，还在像素数量、灵敏度和速度等性能参数方面取得了难以置信的进步。本书第1版中所提到的一些智能功能已经商业化。鉴于该领域的巨大变化，我们对第1版进行了修订，追随智能CMOS图像传感器及其应用的发展前沿，适配最新的技术。当然，正是由于这一领域12年来的蓬勃发展和技术进步，本人再著新版的部分章节时才能心手相应。

本书秉承第1版的结构： 第1章介绍MOS成像和智能CMOS图像传感器。第2章描述CMOS图像传感器的基本原理，并详细介绍光电器件物理的相关知识，同时分析典型的CMOS图像传感器如有源像素传感器(APS)的结构。第3~5章构成本书的核心，在这些章节中深入剖析智能CMOS图像传感器。第3章介绍几种用于智能CMOS图像传感器的智能结构与材料。第4章通过这些结构和材料描述智能成像的特征，如高灵敏度、高速成像、宽动态范围图像感应和三维(3D)测距。第5章给出智能CMOS图像传感器在信息和通信技术(ICT)、化学、生物学以及医学等领域的应用实例。

这项工作受到此前众多有关CMOS图像传感器技术书籍的启发，特别是： A．Moini的Vision Chips［1］全面概述视觉芯片； J．Nakamura的Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras［2］详细地介绍此领域近年来的最新成果； K．Yonemoto的Fundamentals and Applications of CCD/CMOS Image Sensors［3］完整地介绍CCD和CMOS图像传感器； 还有T．Kuroda 的Essential Principles of Image Sensors［4］。其中给我印象最深刻的是K． Yonemoto的著作，可惜该书只有日语版。我由衷地希望现在的工作能有助于阐明这一领域的研究，对Yonemoto的著作内容进行补充。受相关领域许多其他日本高级研究人员的著作影响，本书最终才得以出版，其中包括Y．Takemura［5］、Y．Kiuchi［6］、T．Ando和H．Komobuchi［7］、K．Aizawa和T．Hamamoto［8］等诸位专家，另外，本书的编纂也离不开A．J．P．Theuwissen关于CCD的论著。

衷心感谢所有对本书提供了直接和间接帮助的人。特别感谢奈良科技学院材料科学研究所光学器件实验室的教授们，他们意义深远的工作形成了第5章的内容。现任教师包括Kiyotaka Sasagawa、Hiroyuki Tashiro、Makito Haruta、Hironari Takehara，前任教师包括现在供职于东京工业大学的Takashi Tokuda、静冈大学的Keiichiro Kagawa、丰桥技术科学大学的Toshihiko Noda和东京大学的Hiroaki Takehara。没有他们的鼎力相助，本书难以问世。还要感谢Masahiro Nunoshita在实验室工作初期给予的大力支持和鼓励。同时，要向现任秘书Ryoko Fukuzawa和前任秘书Kazumi Matsumoto在众多行政事务方面的工作致谢。此外，还要向实验室曾经和现在工作的博士后研究员、技术人员和研究生道谢，正是他们全力以赴的工作，换来了本书的早日出版。

关于视网膜假体的研究课题，感谢视网膜假体项目的第一负责人，大阪大学的Yasuo Tano、Takashi fujikado和Tetsuya Yagi。同时感谢Nidek有限公司的人工视网膜项目组成员Motoki Ozawa、Kenzo Shodo、Yasuo Terasawa、Hiroyuki Kanda和Naoko Tsunematsu。此外，感谢体内成像传感器的合作者，Sadao Shiosaka、Hideo Tamura、David C．Ng和Takuma Kobayashi，深深感谢Masamitsu Haruna在体内图像传感器研究上不断地鼓励我，感谢我的学士、硕士和博士论文导师Ryoichi Ito在我的整个研究过程中的持续鼓励。

我首次踏入CMOS图像传感器研究领域是在1992—1993年，那时我还是科罗拉多大学博尔德分校Kristina M． Johnson的访问研究员。这一段经历使我受益匪浅，也启发了我回到三菱电气集团后的初步研究。感谢三菱电气集团所有同事的帮助和支持，包括Hiforumi Kimata、Shuichi Tai、Kazumasa Mitsunaga、Yutaka Arima、Masahiro Takahashi、Yoshikazu Nitta、Eiichi Funatsu、Kazunari Miyake、Takashi Toyoda等。

由衷地感谢ChungYu Wu、Masatoshi Ishikawa、Jun Tanida、Mitumasa Koyanagi、Jun Tanida、Shoji Kawahito、Atsushi Ono和C． Tubert允许我在书中使用他们的观点和数据。

我从日本图像信息与电视工程师学会的委员们身上也学到了很多东西，尤其是Shigetoshi Sugawa、Kiyoharu Aizawa、Kazuaki Sawada、Takayuki Hamamoto、Junichi Akita、Rihito Kuroda，还有日本众多图像传感器小组的研究人员，包括Yasuo Takemura、Takao Kuroda、Nobukazu Teranishi、Hirofumi Sumi和Junichi Nakamura； 另外，特别感谢让我有机会出版这本书的Taisuke Soda，还有CRC Press的Mark Gutierrez，感谢他们出版本书时的耐心。没有他们的不断鼓励，本书不可能再版。

就我个人而言，我要深切地感谢已故的Ichiro Murakami激发了我对图像传感器及相关课题的热情，已故的Yasuo Tano同样地给予了我在NAIST的初期研究工作中的大力支持，没有他们就不可能有我今日的研究。

最后，特别感谢我的爱妻Yasumi Ohta，她作为我实验室的博士后研究员，在著书过程中给了我坚定的支持与理解。在她的支持和努力拼搏下，体内成像这一项目才得以顺利完成。

Jun Ohta2020年3月于日本奈良