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高分辨数字全息技术及图像传感器研究

夏好广  
【摘要】:随着图像传感器和计算机技术的进步,数字全息术发展迅速。它采用数字图像传感器(如CCD或CMOS)代替传统的全息干板来记录全息图,在计算机中完成图像重建及相关处理工作,具有数字化、快速处理等优势,已在许多领域(如显微成像、动态分析和微结构测试等)得到广泛运用。然而较低的分辨率是限制数字全息发展的主要障碍之一。本文围绕数字全息分辨率问题,分析了数字全息分辨率的主要影响因素,重点从重建算法和图像传感器两方面开展了研究。在重建算法方面,提出一种基于图像内插与外插同时进行的分辨率增强算法。在图像传感器方面,提出了一种全新的基于浮栅的高分辨成像传感器结构。采用集成电路工艺制备了高分辨图像传感器芯片,利用该芯片设计了全息成像系统并完成了三维成像和显微检测,具体研究内容和成果如下:1.在重建算法上,提出了一种基于图像内插与外插同时进行的分辨率增强算法。结合全息图的记录与重建特点,研究了孪生像与零级像、重建算法、图像传感器等对全息再现图像分辨质量的影响。研究了不同分辨率提高方法(如合成孔径及亚像素技术)的特点,这些方法主要通过在一定范围内移动传感器或使用多个传感器拼接增加分辨率,系统复杂度较高。论文提出了一种基于图像内插与外推同时进行的的迭代算法,内插过程可以增加全息图空间采样频率而外推过程扩大了全息图数值孔径。模拟和实验证明,该方法可以同时提高全息图孔径和采样频率,新方法可以明显改善再现图像分辨质量。2.提出了可用于全息成像的高分辨图像传感器——垂直电荷转移像素传感器(简称VPS)。该结构仅包含一个基于浮栅的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),与标准CMOS工艺兼容,具有高集成高分辨特点。详细研究了 VPS的成像方式和物理机制,VPS成像过程在栅极和源漏区加正电压,衬底加负压,衬底表面形成的耗尽层用来吸收光信号,光电子在电场的驱动下注入到浮栅中存储。通过模拟分析和实验研究发现,电子注入浮栅的物理机制分为热电子注入和FN隧穿两种,源漏极电压和沟道层电荷积累决定了具体的电子注入机制。3.研究了 VPS的两种阵列架构。NAND架构由于器件串联,具有更高的集成度。但器件串联会造成的曝光过程中信号串扰,针对该问题我们提出隔行曝光的方法,两边断开的像素晶体管可以实现对曝光像素的有效隔离。NOR阵列架构具有像素独立的特点,可以通过字线位线对一个像素进行操作,非常灵活。针对NOR架构,基于0.13um闪存工艺设计了 5120×5120像素芯片阵列版图,像素尺寸 0.95×0.95μm2。4.使用基于FPGA控制模式的测试系统对成像芯片进行了复位、读取和成像研究。通过复位测试发现,采用FN擦除对芯片进行复位后图像存在纵向白线,原因是器件存在过擦除,针对该问题我们提出采用先擦除后编程的复位法,该方法可以有效消除白线。对读取的图像进行了横向和纵向分析,图像数据存在横向周期狭缝而纵向存在灰度渐变。研究发现周期狭缝是由于版图设计导致而纵向数据渐变主要由读取电压压降引起。由于读取信号与光强成反相关关系,提出采用曝光前后数据差值的成像方法,曝光前后两次读取得到的图像数据做差可以有效的消除读取过程中的部分固定图形噪声(如周期狭缝)。对芯片动态范围做了测试和评估,提出了一种多电压读取算法,实验证明该方法可以有效的改善图像传感器的动态范围。5.采用VPS高分辨成像芯片设计了数字全息成像系统,验证了该成像芯片完全可以应用于数字全息领域。采用离轴光路对微透镜阵列进行形貌检测,验证了 VPS成像芯片系统可以准确用于三维测试。对蚊子翅膀做显微观察,通过与标准的CMOS-APS成像芯片拍摄结果比较,所设计的成像芯片由于具有更高的采样频率可以获得更高的图像分辨率。


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