基于PPD结构的TOF测距图像传感器设计

发布时间：2017-03-27 02:00

  本文关键词：基于PPD结构的TOF测距图像传感器设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着市场对3D成像系统需求的增加,越来越多的研究致力于获得完整的类似人眼的3D信息。实时的3D成像系统相对传统的光强度成像系统有更多的应用领域,比如:汽车安全、生物医学装置、机器人、娱乐设备、工业控制以及虚拟现实仪器等领域上,其中Time-of-Flight(TOF)测距方法是3D成像距离测量中最合适的方法之一。CMOS图像传感器可以把图像处理电路和感光部分集成在一块芯片上,相比其它的成像技术有着高集成度、低功耗和低价格的优点,也可以同时获得二维图像和距离信息,使它成为发展3D成像的最佳选择。本文首先分析了间接TOF测距原理的可行性,包括相位解调和时间-选通积分法的原理,再进行系统精度分析,归纳出几个重要的影响因素,包括光源功率、噪声、测量范围、反射系数、解调效率和背景光强度,再制定出系统指标来辅助设计。基于钳位光电二极管(PPD:Pinned Photodiode)结构的2-抽头(2-tab)解调像素设计,在传统PPD的基础上进行改进与优化,提高光电混频器的电子转移效率和工作带宽,设计出高解调效率的光电解调像素。图像传感器的电路部分包括像素电路、相关双采样电路、驱动电路、行列译码电路等,其中像素单元采用共享式结构,在电荷区域提高信噪比,而且可以提高像素填充系数,列级采用相关双采样电路来消除像素KTC和固定图形噪声。基于本文设计的图像传感器芯片搭建三维TOF测距系统,主要包括图像传感器、LED光源、ADC、CPLD等硬件。采用的LED光源的功率为3.4 W,调制光信号的频率为0.5 MHz,曝光时间为20 ms,并成功实现测距功能。测量的范围在1-260 m内,得到测量结果和实际距离之间的平均误差小于2%,最好的结果是在测量距离为1 m处,误差只有2.5 cm,最差的结果是在测量距离为150 m处,误差为3.68 m,可以通过增大光源功率和曝光时间,或是通过抑制背景光,来提高测距精度。
【关键词】：TOF测距图像传感器 2-抽头解调像素 光电混频器 相位解调
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 引言9-13
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.2 TOF测距传感器国内外研究现状11-12
• 1.3 本论文的主要工作12-13
• 第二章 间接TOF的测距原理与精度分析13-28
• 2.1 TOF测距系统结构13-14
• 2.2 间接TOF的测距原理14-17
• 2.2.1 相位解调的测距原理14-16
• 2.2.2 时间-选通积分法的测距原理16-17
• 2.3 精度分析17-27
• 2.3.1 光源功率分析18-20
• 2.3.2 相位解调法的精度分析20-24
• 2.3.3 时间-选通积分法的精度分析24-27
• 2.4 系统设计目标27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 基于PPD结构的光电解调像素设计28-43
• 3.1 光电解调像素的工作原理和难点28-30
• 3.2 光电解调像素的分类30-31
• 3.3 基于PPD结构的光电解调像素31-33
• 3.4 PPD光电解调像素的优化33-42
• 3.4.1 消除沟道势垒35-36
• 3.4.2 设计非均匀掺杂沟道36-37
• 3.4.3 优化PPD的横向电场37-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 基于PPD结构的TOF测距图像传感器芯片设计43-56
• 4.1 共享式的像素电路设计44-47
• 4.2 相关双采样电路设计47-51
• 4.2.1 CDS原理分析47-50
• 4.2.3 电路仿真50-51
• 4.3 驱动电路设计51-53
• 4.4 行列译码电路设计53
• 4.5 整体芯片的仿真53-55
• 4.6 流片版图和芯片拍照图55
• 4.7 本章小结55-56
• 第五章 TOF三维测距系统的搭建及测试56-62
• 5.1 系统搭建56-57
• 5.2 测试结果分析57-61
• 5.2.1 传感器的参数测试57-59
• 5.2.2 TOF三维测距系统的参数测试59-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第六章 结论与展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 个人简历68-69
• 在校期间发表的学术论文及研究成果69

  本文关键词：基于PPD结构的TOF测距图像传感器设计，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：269677