A Study on High-Sensitivity Image Sensors Using Signal Processing Techniques for Noise Reduction

利用信号处理技术降噪的高灵敏度图像传感器研究

• 批准号: 13450140
• 负责人: KAWAHITO Shoji
• 金额: $ 8.58万
• 依托单位: Shizuoka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-13450140/
• 关键词: oversampling; highly sensitive imaging; CMOS image sensor; noise analysis; noise cancel; イメージセンサ; 高感度; ノイズ低減処理; 適応ゲイン増幅; 最小2乗推定

In this, study, new noise reduction techniques based on oversampled signal processing for high-sensitivity image sensors have been investigated. The proposed technique does not require any photo charge multiplication, which is a major technique for highly sensitive imaging. One of the methods uses a multiple sampling of the image array output in non-destructive readout modes. This technique predicts the signal component based on the correlation in the intermediate signal levels in the non-destructive mode of pixel outputs and greatly reduces the output random noise. Another method uses a gain-adaptive amplifier array integrated at the column of the image sensors. An experimental image sensor chip based on 0.25um technology has been developed and the lowest noise level of 260uV in CMOS image sensors is achieved. In order to investigate the low-noise sensor interface, establishment of a noise analysis method for CMOS image sensor interface circuits is indispensable. We have established a noise analysis method for high-gain switched capacitor amplifiers suitable for integrating them at the column of the image sensors. The noise analysis model includes both the thermal and 1/f noises. The analysis shows that a double stage noise-canceling amplifier has extremely low noise level if a noise component sampled at the inside node of the amplifier is cancelled.

在这项研究中，新的降噪技术的基础上过采样信号处理的高灵敏度图像传感器进行了研究。所提出的技术不需要任何光电荷倍增，这是高灵敏度成像的主要技术。其中一种方法是在非破坏性读出模式下对图像阵列输出进行多次采样。该技术基于像素输出的非破坏性模式中的中间信号电平中的相关性来预测信号分量，并且极大地降低了输出随机噪声。另一种方法使用集成在图像传感器的列处的增益自适应放大器阵列。基于0.25 μ m工艺的实验图像传感器芯片已经开发出来，并在CMOS图像传感器中实现了260 uV的最低噪声水平。为了研究低噪声传感器接口，建立CMOS图像传感器接口电路的噪声分析方法是必不可少的。我们已经建立了一个高增益开关电容放大器的噪声分析方法，适合于集成在列的图像传感器。噪声分析模型包括热噪声和1/f噪声。分析表明，如果在放大器内部节点处采样的噪声分量被抵消，则双级噪声抵消放大器具有极低的噪声电平。

项目成果

S.Kawahito, N.Kawai: "A low-noise signal detection technique in CMOS image sensors using frame-oversampling and non-destructive high-speed readout"Proc.SPIE. 4669. 98-107 (2002)

S.Kawahito、N.Kawai：“使用帧过采样和无损高速读出的 CMOS 图像传感器中的低噪声信号检测技术”Proc.SPIE。

川人祥二, 河合信宏, 田所嘉昭: "フレームオーバーサンプリングと非破壊中間読み出しによる高感度イメージセンサの検討"映像情報メディア学会技術報告. IPU2001-61. 67-72 (2001)

Shoji Kawato、Nobuhiro Kawai、Yoshiaki Tadokoro：“使用帧过采样和无损中间读出的高灵敏度图像传感器的研究”日本图像信息和电视工程师学会的技术报告（2001-61）。 ）

S.Kawahito, M.Sakakibara, D.Handoko, N.Nakamura, et al.: "A Column-Based Pixel-Gain-Adaptive CMOS Image Sensor for Low-Light-Level Imaging"Dig.Tech.Papers, IEEE Int.Solid-State Circuits Conf.. Vol.46. 178-179 (2003)

S.Kawahito、M.Sakakibara、D.Handoko、N.Nakamura 等人：“用于低光级成像的基于列的像素增益自适应 CMOS 图像传感器”Dig.Tech.Papers，IEEE Int。

S.Kawahito, N.Kawai: "A low-noise signal detection technique in CMOS image sensors using frame-oversampling and non-destructive high-speed readout"Summary Digest, SPIE Annual Symposium on Electronic Imaging. 196 (2002)

S.Kawahito、N.Kawai：“使用帧过采样和无损高速读出的 CMOS 图像传感器中的低噪声信号检测技术”摘要，SPIE 电子成像年度研讨会。

S.Kawahito, S.Ito: "Photon count imaging using an extremely small capacitor and a high-precision low-noise quantizer"Proc.SPIE. (7月発行). (2003)

S.Kawahito、S.Ito：“使用极小的电容器和高精度低噪声量化器进行光子计数成像”Proc.SPIE（2003 年 7 月出版）。