基于低功耗小体积FPGA的EBAPS相机技术

发布时间：2020-08-28 18:10

　　极弱光成像或者单光子成像在夜视、侦查以及空间科学等诸多领域都有迫切的应用需求,成像仪器正逐渐处于主导地位,成像仪器的尺寸、性能、低光敏感度变得尤为关键,逐步推进弱光成像传感器的性能提升。电子轰击型有源像素传感器(EBAPS)具有高灵敏、高分辨率、低噪声、小体积、低功耗的特性,正成为新一代先进的极弱光成像传感器。近年来,随着制造工艺水平的提升,APS已经在视频领域获得广泛应用,尤其是低噪声背照APS的市场化,使研制低成本、高质量、可用于极弱光成像的EBAPS成为可能,美国的Intevac公司已经在国际上率先推出了EBAPS产品,专门服务于美国的军方和政府机构。针对我国自主开发EBAPS的应用需求,本文以我国自主开发的可应用于EBAPS的APS传感器为成像器件,深入研究了APS器件的内部结构、工作原理、控制时序及成像方式,并且根据穿戴式设备的开发需要,选取了Microsemi公司的低功耗系列的FPGA作为主控芯片,利用2片低功耗异步SRAM缓存图像数据,最终图像数据通过USB 3.0传输至上位机,上位机软件实时保存数据以便分析。根据各个器件特性,本文设计了6层电路板结构,成功研制了相机系统的硬件电路,并以此为平台通过对各个器件时序的分析,使用硬件描述语言Verilog设计了有限状态机来实现相机系统图像采集、像素数字化、数据存储及传输等各模块的驱动时序,而且可以通过修改软件实现对传感器曝光时间的调节,调节范围为0-150 ms,1024级可调。通过ModelSim平台对状态机时序做时序仿真,证明时序设计的可行性。对相机系统进行调试分析,测试了输出的像素信号响应非均匀性,并利用定标单点校正的方法对非均匀性进行了校正,像素信号的响应非均匀性降低为校正前的0.15,非均匀性得到明显改善。通过测试APS像素补偿电压(BLACKREF)与输出像素信号的关系,综合考虑所选用的ADC芯片的输入线性范围,确定像素补偿电压为0.5V时,APS传感器与ADC均处于线性工作区,且像素信号幅值可以达到1.28V。相机调试完毕后,在传感器前端安装远焦镜头进行成像实验。日光灯下的天花板图像可以清晰看到条纹及斑点。在连续成像的情况下,帧频7 fps,整机功耗为0.82W,电子学噪声约为6.7 mV,基本实现了微型低功耗相机的指标,为穿戴式EBAPS相机研制奠定了基础。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V445.8
【部分图文】：

示意图,成像传感器,工作原理,填充系数

计要求选择了相机系统合适的实现方式。及工作原理成像传感器是目前国际上新代的基于 CMO构主要包括光阴极和 APS。APS 是 CMOS 像素内都集成个缓冲器或放大器，使信号构示意图如图 2.1 所示。工作原理如下：积位，复位光栅结构或光电二极管两端的电压通过源跟随器输出到行选通管，行选脉冲驱线输出。积分电压信号通过源跟随器来驱动压的影响，降低了读出噪声，从而提高了信构，导致像元尺寸较大，填充系数较小，但灵敏度高、速度快，具有广泛的应用市场。漏极电压

示意图,芯片结构

图 2.2 APS 芯片结构Figure 2.2 Structure of APS chip感器以 APS 芯片为阳极，直接接收光阴极发出的光转换为电子-空穴对，光电子在真空密封的结构中可产生电子轰击半导体（EBS）增益。这个增益足够高单光子探测。EBAPS 芯片结构示意图如图 2.3 所示[于真空管中，作用于光阴极的加速电压用于产生电子光电子直接被 APS 接收，转换为电信号输出。般芯片是负值，以保证作用于 APS 芯片的偏置电压接对接。入射电子会在电介质与半导体的接触面产生辐命，为了保证该芯片既能获得足够的电子轰击半导体寿命，加速电压应低于 2kV[8]。列选控制电路

示意图,真空管,芯片

图 2.2 APS 芯片结构Figure 2.2 Structure of APS chip 传感器以 APS 芯片为阳极，直接接收光阴极发出的光电量转换为电子-空穴对，光电子在真空密封的结构中可以，产生电子轰击半导体（EBS）增益。这个增益足够高从现单光子探测。EBAPS 芯片结构示意图如图 2.3 所示[8]装于真空管中，作用于光阴极的加速电压用于产生电子轰的光电子直接被 APS 接收，转换为电信号输出。般情PS 芯片是负值，以保证作用于 APS 芯片的偏置电压接近件对接。入射电子会在电介质与半导体的接触面产生辐射寿命，为了保证该芯片既能获得足够的电子轰击半导体用寿命，加速电压应低于 2kV[8]。真空管 APS 芯片光电子管座装置

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