Compact CMOS vision systems for space use.docx
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CompactCMOSvisionsystemsforspaceuse
袖珍型CMOS视觉系统在空间中的应用
W.Ogiers,D.Uwaerts,B.Dierickx,D.Scheffer,G.Meynants,C.Truzzi
IMEC,Kapeldreef75,B-3001Lenven,Belgium
Tel:
+3216281376fax:
+3216281501
ogiers@imec.behttp:
//www.imec.be/fuga/welcome.html
摘要:
CMOS图像传感器越来越成为CCD相应部件发展中具有竞争力的部件,对于所增加的优点例如简单的操作要求以及组成一个整体元件的潜在要求以及相似的模拟电路及其在数字处理过程中的作用.本文大致描述了在CMOS成像设备中的发展优势.接下来,我们将描述两个目前在空间应用中的CMOS视觉系统中的ESA初级系统.
关键词:
辅助电源,CMOS图像传感器,微型元件,成像系统,MCM,高密度封装
1.简介:
CMOS有源像素图像传感器
CMOS图象传感器技术及与CCD的比较
在CMOS图像传感器中,此种情况下的半导体整流组件中,成像电压在硅半导体中的转换作用已经被利用来制成对明显光线有视觉反应的视觉传感器,通过对目前标准CMOS的物理特征,在对传统型电荷耦合CCD器件的分析及比较中,线性的和基本的像素传感器的完成已经成为现实.在CMOS有源像素图像传感器中,独立的像素不仅会包含感光元件,同时也包含其它的电路系统,会起到在像素缓冲器及对特殊计算像素的放大作用.
辅助电源图像传感器中有其自己的像素,它可以连接到像素安排配置的可寻址开关的读出结构上。
与CCD应用中的转换装置比较,该领域具有如下优点:
·进入个性化的像素或是图像视窗简便而且快捷。
·通过信号处理可以将信号传递到整个芯片的所有部分,CCD的转换会有损失并且一些放射性作用的敏感度会降低。
如下这点应该增加许多起源于CMOS器件应用过程中的技术问题:
·3.3V或5.5V的电源提供即可支持简单的像素应用。
·低能源操作
·模拟及数字的统一芯片组成。
·低损耗(与CCD比较损耗可降低30%)
·CMOS领域中执行技术过程的优点,例如:
低耗能设计方法,低辐射,可变特性范围等
CMOS图像传感器的缺点在于它的电力视觉系统,CCD是专门用来应用于视觉过程中的,但是CMOS标准过程中的参数已经被认可了,这样。
成像芯片的设计人员就它们的推广过程进行开发,进而,CCD中近100%像素已经被设计成对光线很敏感的元件。
当辅助电源的像素贡献于整体的光电二极管及光电晶体的一小部分时,所有的对于CMOS成像系统的结论在许多方面都不如较好的CCD成像系统,例如:
信号的噪声率,敏感度,成像的不一致以及大致的表面划痕。
表1为典型的CMOS和CCD的特性比较。
CCD的最后一个较为可观的优点及应用是它的尺寸标准:
CCD排版成9000×7000像素已经广为人知,而CMOS芯片至今夜仅仅局限于2000×2000而已,而且512×512是较为普遍的尺寸。
幸好,并不仅仅是缺点,CMOS芯片的敏感度可以通过扩展的方法来提高。
然而,这要求附加一个在制造过程中额外的无标准的步骤,噪声和印刷板的不同会导致两个相关样本的阅读技术的出错,当输出像素在事实的明亮阶段以及参考的黑暗阶段的比较中有区别时,CDS可以在制作芯片的不重要的过程中要求附加电路元件,也就是说,一个完整的模拟或数字的记忆或存储参考,另外的一个读出技术的两个样本中,制作芯片的技术比CDS的单,但却不能降低噪声。
表1典型CMOS与CCD芯片的参数
技术版式倾斜度饱和度信噪比不同一度弱信号像素率功耗
CMOSAPS512*5126.20um15.43%50-70dB3%4000e-/s1-10MHz20-200mv
CCD1024*102410.20um100%75Db-150-4000e-/s10MHz50mv
CMOS辅助电源在空间应用中的优点
CMOS视觉传感器的优点被承认这项技术很早就被应用于小型的空间飞船上
·CMOS芯片的应用较为简单,同时对操作者的要求较低并且对于专门的数字子系统成为可以拥有潜力作用的统一系统,构成一个或几个芯片。
这是对于统一的系统尺寸,质量以及能源的标准,这使得一个整体中需要有许多部分或是将新型的用具置于他们所合适的位置。
·CMOS芯片在飞行器中的应用要比CCD的用途多,例如:
读出视窗或较随便的像素的增加,其它较多的额外的作用可以被综合到一起,使得这个系统从一个检测系统转换到高自动化程度的整体,高标准的成像部件将变得具有可行性,也就是说通过敏感器的微处理器可以使基本的成像传感器部件应用到一个较大的范围。
·CMOS辅助电源于CCD相比对放射性的要求要低一些,这是一个显著的优点,然而,更有趣的是对CMOS视觉系统的尺寸要求可以允许传统型的使用者更为经济和有效的应用。
CMOS影像设备潜在的空间应用
在使用光电感应器的CMOS辅助电源对于系统水平的潜在应用上体现的价值中,这种在目前及短期内可能会应用在所有类型上的包括具有中级像素质量的空间应用上,特别是应用于小型系统上则会更为保险。
·低水平的地球及行星的图像处理(适合的图像模式最高可达2000×2000像点)
·在接近的图像处理时飘忽不定
·机器人(要求高框架结构及相关物体的同时测试视窗)
·视觉测距
·航天器的视觉导航(要求低噪声,高敏感度及高读写率)
此时我们要排除在视觉应用中的高质量科技像点:
CMOS视觉传感器目前缺少噪声要求,低信号水平,然后不能与高损耗的CCD相比较,下一个高要求的应用应该会应用在视觉导航系统上(例如:
星系或人体的追逐仪器),这些都可以用CMOS实现,可能最远的会应用在噪声系统及敏感度上。
2当前在IMEC中辅助电源的发展
高等微电子中心已经设计开发包括CMOS图像处理器在内的设计有很长时间了,并且主要是是在无目标的影像领域以及在计算型敏感元件在工业上的应用。
目前的作用集中在统一型辅助电源的成像领域,它包括一个高质量的像素以及今后在空间中的应用。
IMEC目前开发的Fuga-21b型完整的影像芯片开发出了一个包括光电二级管和三个转换器的像素,它包括一个对缓冲通过的飞行器的焦点配置的像素信号的电源保护,该象素通过一个特殊的布局可以增加光子聚集领域或接近一个CCD像素饱和的作用,这可以导致对信号噪声的比率有较高的敏感度及调整。
像素被安排在一个适合的读出框架中,它可以控制开关电源的时间,并且目前广泛应用的时纵向的排版结构,这种结构应用可以在象素中的双样本的像点上取消,同样的剩余像素就由暗电流来控制,这不能在芯片中应用,这些像素同样有着清晰之处,正如图1中的图像处理器的例子一样。
表2Fuga-21b的规格
格式
378×288像素
倾斜度
14um
框架速度
50Hz
饱和度
66%
信噪比
56dB
轨迹不同率
0.2%
整体不同率
2%
丢失像素
0
输出
模拟(视频)
定时控制
超过FPGA
3.IRIS单一成像芯片的整体效果
3.1简介
作为混合型ASICs信号研制系统中的模拟硅编译器中的地面系统试验程序的一部分,IMEC将会设计并制作正题的防辐射的成像系统,用一个简单芯片形成一个完整的微型影像设备用于具有广泛用途的低到中等质量的在空间中的应用,它的研制活动的日程从1996年底提到1999年底,输出的第一个阶段是一个新的具有定时及逻辑控制的芯片,接下来的输出工程包括一个整体的用于定时的逻辑控制和完整微成像设备指示体系的传感器(拥有如上功能的传感器)。
3.2应用领域
应用于早期的特殊名单中用于潜在的空间应用于CMOS成像设备,结合传统的强制性,通过一个真正的简单成像芯片工具用于方便的CMOS过程(不能够通过两个相关的样本来减少噪音),而整体的防辐射的成像系统将目标锁定在整体的目标成像任务上,例如:
监视设备及视觉的遥感技术上,低终端的图像集中在较小的平台上,例如行星的探索,着陆,及漫游和机器人的视觉系统。
对于这些应用,整体的防辐射成像系统在其它领域也会得到较好的应用:
如多媒体电子消耗监视系统及工业的视觉系统以及在机器人上的应用。
因为IRIS的自然的芯片系统,它可以独立的应用(或用于分布式的系统)或是多方面的在大型的特殊应用系统中的多层面应用。
3.3系统功能及其摘要
项目的主要目的时要包含一个多方面的中等质量的灰度敏感成像元件,有着必不可少的作用以及芯片的结出面。
系统的大致情况已经在图2中给出,事实上的视觉敏感器是一个640×480像素,每秒钟可视10个结构,在第二阶段中所讲的两个整体样本图像处理器,现在包含一个改编后的地方性逻辑对于大多数直接读出或重置的地址,成像部分支持多角度的通过矩阵型的像素,例如:
窗口化或二次抽样。
模拟信号路径由一个电压放大器,使用者所选择的特性增益所组成,同时拥有8bit闪存的模数转换器,为了提高IRIS的有用性,特别是当用于空间飞行器上的敏感结构上时,大致3个模拟输入可被利用于当时的电路同时有8路数字输出可被用于较远的闪光控制,拍摄及倾斜发动等等。
没有程序的逻辑芯片用于的标准控制的图像矩阵和完成高标准的用户要求,这些要求是通过一到两种类型的连续的接触面来被芯片所接收的,象素数据同时从连续的和平行的终端的四个数据接触面中输出,除此以外,一个模拟的输出信号同时呈现且同时被应用于被要求的高要求的模数转换器中。
注意我们一直在谈论的是5V的芯片系统,对CCD来说,有相同关联的简单作用要求FPGA或ASIC应对所有的控制和连接任务,一个模数转换器多渠道提供电源及没有标准的逻辑水平转换器(或是对于这些信号和能源进行管理活动)。
甚至有一些特征例如对于视窗或二次抽样成为不可能或难以处理的,所以一些硬件要求围绕一个CCD构造一个可比较的系统以便可以更高的考虑,对于尺寸,大小及电源都有影响,经有的电力部分要求使IRIS转变微微型的成像器件,以便成为使用者,接受方,并提供电压。
图2:
IRIS图像处理器芯片
3.4光电视觉感应的详述
表3:
基于标准的测量与估计的初级图像传感器的特性
图像传感器
ASCMSA/IRIS
ASCoSS/CETS
像素类型
完全的光电二极管辅助电源
同前
像素程度
14um
25um
像素饱和度
66%
85%
格式排版
640×480像素
512×512像素(256×256标准)
读写
双样本芯片
相关的非双样本芯片
扫描
线性扫描-多方面通过
线性扫描
模板转换
每8bit转换
12bit非芯片
逻辑
控制ESATC/TM
FPGA或ASIC要求的非芯片
结构比率
最高达10Hz
10Hz
像素比率
最高可达3MHz
2.6MHz
电源关闭
计划0.4ms-100ms也可以更长
0.4ms-100ms
电源
――
50mW9256×256版本约10Hz结构率
读出噪音
<200e-
<400e-(50e-对象)
饱和水平
100000e-
100000e-
动力范围
>54dB
>47dB(66dB目标)
不同一率
<3%的饱和状态
改进芯片前为5%
25度时的暗信号
<40000e-/s
<40000e-/s
顶点量子功率
-
42%(约为750nm)
视觉敏感度
280×10E-6
Mv=5
转换因素
-
20uv/e-(8fF像素容量)
模糊度
斑点模糊
斑点模糊
丢失像素
无具体说明
无具体说明
潜在电路的非芯片数量
~15
~18
技术设计
Mietec0.7um的CMOS可容忍的逻辑部件的一部分
Mietec0.7um的CMOS
3.5.空间应用中的供电及相关应用
IRIS单一像素芯片允许多方面的介入像素矩阵,在实际的应用中,他可以转化为许多的附加功能,例如:
视窗领域中的读写技术,数字领域中的代替样本,一维数据的像素存储(平行的),以及基于线形的隔行扫描,由于具备这些功效,短暂的分解可以被升级为空间分解并能具备极大的像素速率,例如:
普遍的640*480图象处理速度可达到每秒10桢,在二维空间中每秒钟像素跳跃的地方通过运用代替样品,可以使其桢幅增加到每秒钟40桢。
同时可使整个画面仍然清晰可见。
对于图象传感器而言,终端使用者仅接受到高级的命令,实际的聚焦平面是经过特殊控制而完成的。
典型的IRIS应用包括一系列的指令及要求(每8bits)用来组成内部芯片参数的构成标准,同时伴随一个追踪指令,该指令用于书写所有的像素参数(坐标,暴光,时间等)形成的读出模式,运行图象或进行辅助的遥感勘测追踪和构成遥感输出平台,可以捕捉到255个图象,同时也可以选择用摄象机转化趁连续的追踪模式。
一个追踪命令的延缓执行同时也包括在内,一段飞行程序的执行时限约为一个小时,大约每秒钟可以分解一个过程。
除了命令模式外,IRIS可以自行应用,再这个过程中传感器捕获并传送足够的图象,图象的捕捉速度与所选择的输出接口上的最大的图象速率相一致。
IRIS影象芯片通过一些使用者自行选择的接口与外界相连接,输出接口及其速率的选择是被限制的,因此不能再飞行中随意更改,除非在一个额外的程序部件控制下可以使用,接口还被设计成可以直接连接到现行空间的商业不见及条约上:
●同周期的一系列输入命令(PTD模式),最高速率可达3.125Mb/s.
●非同周期的一系列输入命令(RS-232,485)可达9600,19200,38400及115200b/s.
●同周期的一系列输出数据(VCA模式),高达25Mb/s.
●非同周期的一系列输出数据(RS-232,485)115200b/s直到12.5Mb/s.
●同周期平行数据输出(兼有VCA模式及捕捉框架模式)高达3Mb/s.
●任意的模拟图像输出(捕捉框架模式)
这些接口可以在有或没有过多的CCSDS以及ESA电子命令及遥感传输的条件下来应用,当这些协议被选择后,输入的命令倾向于数据的完整性,并通过电子命令包装中的多余信息来检验密码,电子命令中的包装中的命令及其所包含的错误部分不会被执行,使用者可以在任意的时间内查询最新接受到的命令中的错误。
CCSDS/ESATC/TM包装系统可被直接应用于现有飞行器的组成部件接口中,另一方面,可供选择的初行草案更适合于连接IRIS到特殊应用系统中的辅助设备,例如:
一个信息处理器。
3.6可靠性及抗辐射性
IRIS使用时采用的标准为商业性Mietec0.7um的数字化CMOS技术,这个过程本身具有一定的抗辐射性,进一步加强这一抗辐射过程的措施,例如:
加强型的电路拓扑结构及其设计,特殊的设计要求不能与高精度传感器的矩阵结构上相互兼容,同时不能在整个系统的模拟系统中应用。
对于数字化逻辑,一个商业化Mietec标准的电池程序库的子程序将会应用在数字化电路中的放射性作用及相关知识而被选用,不断增强的可靠性将会被进行内部的监控,多数中央处理器的等值检测和有限的区域性工具都具备这一特征,同时也包括大多数长期的较重要的应用机械装置,另外,一些使用者要求触发一个内部的同周期电路的重启装置,以便时IRIS逻辑返回到一个可利用的已知的有效状态。
3.7不同空间部件的可应用性
通过IRIS的设计,有意识的兼容了一些广泛的空间部件,在一种典型的应用中,微型成像芯片直接连接到了已存在的MH-28140电子命令译码器和HAF-12399飞行遥感部分的应用频道装配器上,塔可以灵活的应用于飞行器的通讯系统,然而这种构造并不完美,由于CCSDS和ESATC/TM通信准则的现有情况具有遥感数据尺寸的局限性和TC/TM常规部件的联合的小型数据缓冲器,这种结合只适用于低速的影像处理器或低端影像处理器的追踪,也就是,成像设备的应用适次要的数据源,例如可视范围内的遥感测量。
一些本地数据压缩在与图像集合所引起的高数据的结合过程中是非常有用的它的三百万象素每秒的平行VCA输出,IRIS可以直接与包装好的RICE数据压缩芯片进行接口,进而,IRIS的数据成像输出形式的输出可以用于连接微波压缩器中的缓冲器,并且它是不可缺少的部分,此时最大的处理速率会限制在4帧每秒。
从而可以得出显而易见的结论,高速处理器和高速的图像系统要求至少有一个传感器,为了实现有限通信宽带技术在飞行中的应用,图像处理器需要被缓冲并进行局部处理,这是通过一种完整的视觉及数据处理的附加系统来完成的,这种系统通过IRIS可被建立,为了一个较高的信噪比,这种系统接下来可被用于形成高效的处理方法的高质量的AD转换器,在10-14bits的范围内。
3.8定时设计
1997年秋,IRIS影像探测器的雏形投入了生产,芯片具有了所有型号的设施,但是却需要另外的FPGA提供控制和接口,具备了这两个要求的第一个微型摄像机将被测评,1998年夏天,第二个IRIS研制成功,此时已经有了这样一种芯片,它把所有的逻辑用于控制及接口的作用整合到一起当传感器部分成为一个完整的设计,同时,这个逻辑将被装配于一个用于抗辐射标准的电池程序库,进而,演示型的单芯片微型摄像器将会被设计成功,二期的IRIS广泛的辐射测验在1998年末被提上了日程,这项测验中确立了抗辐射性已经达到了100krad以及其在强金属辐射下的总体测评。
4ASCoSS/CETS袖珍型光学传感器
对IRIS的补充,小型卫星传感器的概念是一项目的在于发展一种特殊的应用于微传感器的技术概念的课题并建立一个关于它的面包板。
ESA被定义为一个用于追踪恒星,行星及流星的微型目标的追踪传感器,这种设计的新奇性依赖于CMOS辅助电源的应用,这并非普通的而是紧密的包装技术,这项研究是由一个联合团体所完成的,这个课题由Sira电子光学协会所研究,后来这个团体由包括了Oerlijon-Contraves,IMT及IMEC。
4.1应用需求
ASCoSS系统的必需组成是一个小型的传感器,或是大型的天体追踪器,其模糊星系的探测极限为Mv=5,系统的最高速率为10Hz,这对于普通传感应用已经足够了,然而,被人们普遍意识到由空间航行系统完全取代了机械方式,例如回转仪它的最高速率已经超过了30Hz,使用数据减少技术例如视窗及提供的明亮的恒星图像。
CETS可以完成这项技术,这个基本的装置逐步成为应用于1arcmin相同的角度的工具。
4.2系统纲要
ASCoSS追踪一个整体消耗减少的端口,新型技术例如分散光速合专门定做的应用于开发的视觉系统的CMO)S辅助电源图像处理器,整个追踪系统包括整个数据处理过程都在一个整体的多芯片的单位上。
图4ASCoSS袖珍型伸展目标的追踪系统制造表格及MCM分割
图4ASCoSS袖珍型伸展目标的追踪系统制造表格及MCM分割
图4给出了初步的硬件系统的概况,图像子系统包括现行敏感器,模拟读出电器对敏感器控制及低水平图像处理的数字化电路,处理子系统包括嵌入式计算机的当前选择,其型号为TSC-21020E或是ERC-32SPARC,在TEMIC中ESA启动及硬件版本运行着当前星体的追踪软件。
由于这个原因,它进入了一个本地的行星目录,这个子系统同时扮演了图像处理器的管理角色,显著的准备并代替了在正确地点着陆以及对于准备在象素排列的质子损坏时的重新校准过程,最后一项处理器的任务时空间飞行器的接口以及它的导航控制系统。
4.3电子眼的设计
图像传感器的附加系统可被理解为放弃可能的静止合普通的噪声执行通过基本的象素技术,这已经在第二部分中给予了描述,图像处理器被指定为由512×512的象素格式,通常方形的象素约为25×25u
而不是去应用相同的例如IRIS的类型,然后通过视窗排除噪声影响,CETS可以对抗普遍的噪声,包括KTC噪声,包括相互关联的两个样本,CDS在数据领域广为应用,对于每一个象素来说,首先在曝光循环的开始重置较低标准的取样并存储于静态存储器,经过整个曝光过程,重排的标准会从产生的真实信号的标准中扣除象素信号,这会缺乏系统分支及噪声容器。
除此之外,所有的静态保持都是不同的,包括由微型信号所引起的不同,它通过图像处理器早期存储的背景模式被削弱了,限制性不同源于较重质子的损坏漂移,这种模式甚至可以包括标记比特位用来显示在重新校正之前被损坏的象素及区域。
最后,微弱信号电子源通过冷却到零下20度的方法解决了。
这些措施回到之表3中的图线轮廓,在最高转变因素8fF的点作标记,并且它的光子反应速度最高可达到8.4uV每光子,最小象素容量的结果和最高饱和因素。
图5画出了传感器的光谱象素的作用,与事实测量的结果一样,有效地象素可提高饱和因素,最高峰达到750nm,42%的光子在象素位置上冲击并且有效地转为信号光子。
表5
4.4限制性控制器及其附加应用
限制性控制逻辑(面包板的FPGA标准,应用于一个可行性飞行模式的rad-hardFPGA或ASIC)是可以在图像处理器的解读装置及高速模数转换器上应用的。
它同时可以管理256k词的静态数据存储器的重置以及对不同模式的存储。
除了这些低水平的控制作用外,图像处理器同时进行一些简单的信号处理任务。
●两个相关样本的数字模式。
●有限的多元化视窗:
至少六个窗口可以被定义并且不能自动读出最后使用者的信息,这使得追踪已被命名的星体或物体更加便利。
●象素开端。
●在伸展物体上进行原始的边缘测量:
在每行中高对比度的位置以及与处理系统的交流。
●沿每一行进行平均计算。
●附加图像系统同时运行图像处理器及处理的视窗或者它可以追踪到一个标准的图像中的有趣部分,例如一个象素的开始或边缘及这些处理系统例子中的交换部件。
飞行中的图像处理器区域的重新校对(与附加系统处理器的合作)。
处理器通过处理系统交流通过一个平行的命令输出和一个平行的数据输出进入了一个小型的FIFO缓冲器,处理器通过内部的系统图表接触来阅读数据。
4.5MCM封装以及热模式
本节所描述的领域触及到目前一些封装模式和初级的设计理念,给出了系统的复杂性和基于其尺寸大小的要求,在应用时更倾向于高密度的包装模式。
经过一系列现存科技的调查研究及对一些球体系统的研究,下面为所列出的方法:
●系统划分为5个独立的MCM单位(在第4目中已经给出),其中最大单位的面积为32×44m
●IMEC的薄膜MCM-D技术将主要应用
●一些封装及其主要的组成部件将会被应用,PCBMCM-L是经常被应用的类型
●这些多元化的科技是通过柔软的印刷线来相互关联的
这种方法由于许多原因通过外来技术而被选择,就像3D记忆,MCM-V,它允许一个可能的被认为是最终的星际追踪器的组成,它避免了密度技术的热处理的问题(附加系统的处理器可以提出较为严重的问题,对于它预计功耗为5W).另外,它不会在一个单一的附加组成中加入过多的组成部分,通过在各处所需部件使用多种不同的技术,许多MCM的用途不会耗费过多。
现在让我们对于整个系统的机械组成设想一个理想的情况,5个MCM中的4个至于一个折叠器的透镜圆周设备的周围,而第五个MCM中有传感器,它被安装在透镜设备之外,这种方法可以使得系统的物理尺寸最小(而且,这在目前应用MCM-V技术是不可能达到的)
然而,这种方法的一个应注意的问题就是图像处理器的热处理,后者可以是低电流过程冷却并可以降低容量破坏后的放射性影响,对于整体系统的试用标准。
整个CETS可以被动的被冷却,会产生视觉障碍。
Sira估计,这将会产生一个很大的被辐射的区域,尽管这违反了最初的构想。
从此后,它可能会将整个系
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