图像传感芯片是一款包含像素阵列及其驱动电路、模拟读出电路、数字控制电路、锁相环与偏置电路、接口电路等模块的复杂光电集成芯片。本书系统地介绍图像传感芯片的基本概念、结构和设计方法，共10章。第1～4章，内容侧重于图像传感芯片背景和基础理论，包括发展历史、性能指标、传感原理和芯片构成；第5～10章，根据具体应用详细阐述不同类型图像传感芯片的原理与技术手段，包括大动态范围成像、单光子成像、光飞行时间成像、线阵与 TDI成像、光谱成像、仿生动态视觉成像等。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 图像传感系统 1
1.2 图像传感系统发展概述 4
1.2.1 光电探测器技术 4
1.2.2 图像传感芯片技术 6
1.2.3 未来发展趋势 9
1.3 图像传感芯片典型应用场景 11
1.3.1 图像传感芯片用于移动设备领域 11
1.3.2 图像传感芯片用于安防监控领域 12
1.3.3 图像传感芯片用于车载领域 12
1.3.4 图像传感芯片用于三维成像和测距 13
1.3.5 图像传感芯片用于空间领域 14
1.3.6 图像传感芯片用于荧光寿命成像领域 15
参考文献 15
第2章 图像传感芯片指标 17
2.1 图像传感器的分类 17
2.1.1 CCD图像传感器与CMOS 图像传感器 17
2.1.2 面阵图像传感器与线阵图像传感器 19
2.1.3 二维图像传感器与三维图像传感器 19
2.1.4 模拟输出、数字输出与SoC 型图像传感器 20
2.1.5 正照式图像传感器与背照式图像传感器 21
2.1.6 滚筒式曝光图像传感器与全局曝光图像传感器 22
2.1.7 典型图像传感器简介 23
2.2 工作条件 29
2.2.1 工作温度、供电电压与环境辐照 29
2.2.2 图像传感芯片工作载板 30
2.3 图像传感芯片参数 31
2.3.1 分辨率 31
2.3.2 填充因子 31
2.3.3 吸收系数 32
2.3.4 量子效率 32
2.3.5 转换增益 33
2.3.6 全局系统增益 33
2.3.7 灵敏度 34
2.3.8 满阱容量 35
2.3.9 暗电流 35
2.3.10 噪声 36
2.3.11 非均匀性 39
2.3.12 信噪比 40
2.3.13 动态范围 40
2.3.14 量化位数 41
2.3.15 帧频与功耗 41
2.3.16 图像处理计算量 41
参考文献 42
第3章 图像传感芯片感光机理和关键工艺 43
3.1 半导体的光电效应 43
3.1.1 硅的光电效应 43
3.1.2 载流子的产生 44
3.1.3 载流子的复合 46
3.1.4 光线的反射 46
3.1.5 光电流的收集 46
3.1.6 光电流的积分和转换 50
3.2 光电探测器件及像素结构 53
3.2.1 光电探测器件 53
3.2.2 CCD像素结构 55
3.2.3 CMOS像素结构 56
3.3 CMOS图像传感器关键工艺 63
3.3.1 CMOS工艺流程 63
3.3.2 正照与背照技术 70
3.3.3 三维堆叠技术 72
3.3.4 光刻板拼接技术 74
参考文献 77
第4章 CMOS图像传感芯片 78
4.1 CMOS图像传感芯片架构 78
4.2 CMOS图像传感芯片电路模块 83
4.2.1 模数转换器 83
4.2.2 相关双采样电路 93
4.2.3 电荷泵 97
4.2.4 带隙基准 106
4.2.5 锁相环 109
4.2.6 总线 114
4.2.7 高速接口 120
4.2.8 图像信号处理器 126
4.3 CMOS图像传感器仿真模型 129
4.3.1 光电转换模块 130
4.3.2 电压转换模块 134
4.3.3 源极跟随器 136
4.3.4 读出电路 144
4.3.5 阵列仿真模块 146
参考文献 149
第5章 大动态范围图像传感芯片 150
5.1 大动态范围成像原理 150
5.1.1 动态范围分析 150
5.1.2 大动态范围成像挑战 153
5.2 动态范围扩展技术 155
5.2.1 多次曝光技术 155
5.2.2 非线性响应像素设计 158
5.2.3 多灵敏度设计 161
5.3 典型应用 165
5.3.1 消费电子 165
5.3.2 智能驾驶 165
参考文献 166
第6章 单光子图像传感器 167
6.1 单光子雪崩二极管 167
6.1.1 概述 167
6.1.2 SPAD像素 168
6.1.3 前端电路 173
6.1.4 典型应用 178
6.2 电子倍增CCD 178
6.2.1 概述 178
6.2.2 芯片架构与工作原理 179
6.2.3 倍增寄存器 180
6.2.4 主要参数 181
6.2.5 典型应用 182
6.3 量子图像传感器 183
6.3.1 概述 183
6.3.2 工作原理与芯片架构 184
6.3.3 理论参数 186
6.3.4 QIS像素 193
6.3.5 低噪声读出电路设计 197
6.3.6 典型应用 202
参考文献 203
第7章 基于飞行时间的深度图像传感芯片 205
7.1 三维成像技术 205
7.1.1 三维成像技术原理 205
7.1.2 三维成像技术分类与对比 206
7.2 DToF图像传感芯片 212
7.2.1 DToF图像传感芯片工作原理 212
7.2.2 DToF像素 216
7.2.3 DToF图像传感芯片中的TDC 219
7.2.4 DToF三维图像传感器行为级模型 227
7.3 IToF图像传感芯片 232
7.3.1 IToF图像传感芯片工作原理 232
7.3.2 IToF像素 237
7.3.3 IToF图像传感芯片关键电路 244
7.3.4 IToF三维图像传感器行为级模型 248
7.4 典型应用 253
7.4.1 自动驾驶 254
7.4.2 消费电子 255
参考文献 256
第8章 线阵图像传感器芯片 258
8.1 线阵图像传感器 258
8.1.1 线阵成像基本原理 258
8.1.2 时间延时积分成像技术 258
8.1.3 TDI图像传感器的评价指标 260
8.2 TDI-CCD图像传感器 262
8.2.1 CCD的工作原理 262
8.2.2 CCD的转移方式 269
8.2.3 TDI-CCD图像传感器工作原理 273
8.3 TDI-CMOS图像传感器 274
8.3.1 曝光方式 274
8.3.2 信号累加方式 280
8.3.3 读出电路 291
8.4 典型应用 292
参考文献 294
第9章 光谱图像传感芯片 296
9.1 光谱成像技术与成像系统 296
9.1.1 光谱感知理论 297
9.1.2 光谱成像技术 297
9.1.3 光谱分光类型 298
9.2 光谱图像传感芯片成像技术 304
9.2.1 基于光子晶体滤波的成像技术 304
9.2.2 基于微纳结构滤波的成像技术 307
9.2.3 基于光谱透镜的成像技术 311
9.2.4 光谱图像重建方法 311
9.3 典型应用 314
9.3.1 遥感探测 314
9.3.2 精准农业 315
9.3.3 医疗影像 315
9.3.4 环境监测 316
参考文献 317
第10章 仿生智能图像传感芯片 319
10.1 仿生视觉系统 319
10.1.1 生物视觉成像机理 319
10.1.2 仿生智能视觉传感器 323
10.2 动态视觉传感器 326
10.2.1 差分型像素 326
10.2.2 信号传输方式 331
10.2.3 基于动态视觉传感器的其他成像结构 333
10.3 脉冲阵列仿生视觉传感器 337
10.3.1 脉冲调制像素结构 339
10.3.2 异步复位型脉冲像素结构 342
10.3.3 基于变化阈值的脉冲视觉图像重构方法 346
10.4 感存算一体仿生视觉传感器 350
10.4.1 感存算一体智能传感器典型成果 351
10.4.2 感存算一体智能传感器架构 352
10.5 典型应用 354
参考文献 357
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