SUPERVISOR
Rasoul Dehghani,Seyedmasoud Sayedi
رسول دهقانی (استاد مشاور) سید مسعود سیدی (استاد راهنما)
STUDENT
Kourosh Hassanli
کورش حسنلی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Design and Implementation of a Digital CMOS Image Sensor, with Emphasizing on Improvement of the Sensor Sensitivity, Resolution, and Dynamic Range
Nowadays, by rapid expansion of CMOS cameras, and increasing tendency towards system on chip (SOC) architectures, design of smart vision chips using CMOS technology has become very attractive. Smart vision chips are employed in many different applications, including in security and surveillance systems, industrial machine vision, robotics, navigation, traffic control systems, smart medical systems, and mobile communication systems. Smart image sensors not only take images but also do some image processing on them. They use analog and digital processors on the image sensor focal plane to perform image processing algorithms. The digital imagers are more attractive compared to their analogue counterparts because of their lower power consumption, lower cost, higher degree of on-chip integration, lower sensitivity against noise, robustness against supply voltage and process parameter variations, wider dynamic range, higher accuracy, and more on-chip functionality. Each pixel of a smart digital imager consists of a photo detector, an analog-to-digital converter (ADC), a storage block, a processor and a control unit. The converter that converts the analog photo-generated current into its equivalent digital value has an essential role in the sensor performance. It determines the performance by defining the dynamic range, imaging speed, and camera resolution. In general, the light converter should be fast with low power consumption, low area, and wide dynamic range to be usable in the new digital image sensors. In this dissertation, first a general survey on the analog and digital smart vision chips is done. Then, an analog smart image sensor based on cellular neural network (CNN) structure is designed. In the sensor, by using analog circuits on the focal plane, a CNN based noise reduction algorithm is implemented. Then, the existing digital pixel sensors and light converters and their weaknesses are studied. Following that, three high performance digital pixel sensors (DPS) by employing new pixel-level converters are proposed. The converters operate at low supply voltage, and offer low power consumption, low area, wide dynamic range, and high sensitivity. The first proposed DPS is designed based on pulse frequency modulation (PFM) scheme using a new light-to-frequency (LFC) converter. The proposed LFC has lower power consumption, wider dynamic range, and lower area compared to those of previous ones. Additionally, its sensitivity against light intensity is higher than previous works. The second DPS works based on pulse width modulation (PWM) technique, and it employs a novel light-to-time converter (LTC). The proposed LTC consumes lower power and lower area compared to the previous ones. Additionally, it converts a wide illumination range with a high speed. The third proposed Digital pixel is designed by using the proposed LTC and using the concept of the thresholding and time-multiplexing algorithms. In the design, the in-pixel multi-bit counter/memory is eliminated and each pixel has just one memory cell. Therefore, the sensor resolution and fill-factor are improved. In the proposed imager, the memory and process units of pixels are transferred to the outside of the sensor array. The structure is suitable for designing high speed and wide dynamic range general-purpose smart vision chips. The proposed image sensors have been designed and fabricated in a standard 180-nm CMOS technology. The results show that the proposed sensors have higher performance compared to previous ones. Keywords: Low-power CMOS image sensor, digital pixel sensor (DPS), pixel-level analog-to-digital converter (ADC), light-to-frequency converter (LFC), light-to-time converter (LTC), high speed imaging, wide dynamic range imager.
امروزه، با توجه به توسعه سریع دوربینهای CMOS و تمایل روزافزون به طراحی سیستم بر روی یک تراشه، طراحی تراشههای بینایی هوشمند با استفاده از فناوری CMOS بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این تراشهها کاربرد وسیعی در بینایی ماشین، رباتیک، ناوبری، سیستمهای کنترل ترافیک، سیستمهای امنیتی، پزشکی هوشمند، مخابرات ویدیویی سیار و ... دارند. در این تراشهها، الگوریتمهای پردازش تصویر با استفاده از مدارهای پردازشی آنالوگ و دیجیتال بر روی خود حسگر تصویر پیادهسازی می شوند تا خروجی تراشه بهجای یک تصویر خام بیانکننده اطلاعات خاصی از تصویر باشد. در این بین طراحی تراشههای بینایی هوشمند دیجیتال که پردازشهای خود را در حوزه دیجیتال انجام میدهند اهمیت ویژهای دارند، زیرا حوزه دیجیتال مزایایی از قبیل توان مصرفی کمتر، حساسیت کمتر نسبت به نویز، حساسیت کمتر نسبت به تغییرات منبع تغذیه و پارامترهای فرآیند، دقت بالاتر، طراحی سادهتر (به دلیل استفاده از نرمافزارهای سنتز)، در دسترس بودن انواع توابع، امکان طراحی تراشه همهمنظوره، سود بردن از مقیاسگذاری ابعاد در سیستمهای VLSI در تمامی زمینهها (سطح، توان مصرفی، سرعت، کارایی بهتر به ازای هر تراشه، قیمت پایینتر و...) را دارند. در تراشههای بینایی هوشمند دیجیتال هر پیکسل شامل واحدهای گیرنده نوری، مبدل نور، ذخیرهساز، پردازشگر و کنترل میباشد. در این بین مبدل نور که وظیفه آن تبدیل اطلاعات نوری به اطلاعات دیجیتال است تأثیر به سزایی در عملکرد تراشه دارد زیرا تعیینکننده گستره روشنایی قابل تشخیص و نیز دقت حسگر تصویر است و بخش زیادی از توان مصرفی آرایه حسگر تصویر مربوط به این بخش میباشد. در ضمن مبدل نور نقش مؤثری در تعیین سرعت عملکرد سیستم دارد لذا مبدل نور بایستی دارای توان مصرفی کم، سطح اشغالی کم، سرعت بالا و گستره دینامیکی وسیع باشد تا در طراحی تراشههای بینایی کارآمد باشد، اما لحاظ نمودن تمامی این نکات بهطور همزمان در طراحی کار بسیار دشواری است. در این رساله ضمن ارزیابی حسگرهای تصویر هوشمند آنالوگ و دیجیتال، یک نمونه حسگر هوشمند آنالوگ بر مبنای شبکه عصبی سلولی طراحی میشود. در ادامه ساختارهای مختلف مبدل نور در حسگرهای هوشمند دیجیتال مورد مطالعه و بررسی قرار میگیرند و حسگرهای تصویر دیجیتالی ارائه میشوند که توانایی تشخیص گستره وسیعی از اطلاعات نوری با حساسیت بالا را دارند، در ضمن توان مصرفی و سطح اشغالی آنها کم و پایداری آنها در برابر تغییرات منبع تغذیه و پارامترهای فرآیند مطلوب است. در طرح پیشنهادی اول که بر اساس مدولاسیون فرکانس پالس است، هدف ارائه مبدلی است که بهبود گستره دینامیکی و توان مصرفی آن نسبت به طرحهای موجود قابل ملاحظه باشد و در عین حال سطح اشغالی آن کم و حساسیت آن نسبت به روشنایی مطلوب باشد. در حسگر تصویر دیجیتال پیشنهادی دوم با استفاده از یک مبدل نور به زمان جدید یک حسگر بر اساس مدولاسیون پهنای پالس طراحی شده است. در این طرح هدف بهبود قابل ملاحظه سطح اشغالی و توان مصرفی میباشد. در طرح پیشنهادی سوم، با استفاده از مبدلهای نور پیشنهادی و الگوریتمهای آستانهگیری و تسهیم زمانی، حسگری ارائه میگردد که در آن تعداد خانههای حافظه هر پیکسل به یک خانه کاهش یافته تا سطح کمتری از پیکسل به حافظه اختصاص یابد و در نتیجه رزولوشن دوربین بهبود یابد. در این طرح با انتقال بخش حافظه به بیرون از بخش حسگر نور، طراحی دوربین هوشمند همهمنظوره سادهتر انجام میشود زیرا اضافه کردن بخش پردازشی در کنار هر خانه حافظه، بخش حسگر نور را تحت تأثیر قرار نمیدهد. کلیه طرحهای پیشنهادی در فناوری 180 نانومتر پیادهسازی و نتایج بهدست آمده با سایر طرحهای ارائه شده مقایسه میشوند. کلمات کلیدی: 1- حسگر تصویر CMOS 2-حسگر تصویر دیجیتال 3- رزولوشن 4-حساسیت 5-ضریب اشغال.