光流体显微镜中CMOS图像传感器关键技术研究

【摘要】：光流体显微镜的出现使细胞检测低成本、便携化成为了可能。然而目前光流体显微镜的研究还处于起步阶段,研究方向主要集中在微流体通道制备和细胞图像处理两方面。作为光流体显微镜的重要成像部件,CMOS图像传感器的各种性能也直接影响着光流体显微镜的进一步研究。现阶段,光流体显微镜的“雏形”平台多数采用具有高性能的商用CMOS图像传感器。但商用CMOS图像传感器并不完全适合对小尺寸、大阵列、高帧频、低功耗、低噪声以及高集成度有较高要求的光流体显微镜。因此,研究应用于光流体显微镜的CMOS图像传感器关键技术对于处于起步阶段的光流体显微镜具有非常重要的意义。本论文对应用于光流体显微镜的CMOS图像传感器,从结构和性能进行了新的研究。具体研究的电路模块包括相关双采样电路、高速列并行两步式模数转换器、斜坡发生器、带隙基准以及低压降线性调节器。针对目前存在的相关技术难点提出了解决方法和优化方法,最终通过芯片测试和系统实验进行了验证。论文的主要内容如下:a.提出了一种两步式连续时间混合型模数转换器。通过高低位分别量化的方式提高ADC的转换速度。利用简单的数字反馈电路和较少的列电路布线资源,一方面完成了高位到低位的连续转换,另一方面降低了斜坡发生器的电路面积和功耗。除此之外,本论文设计了一种针对该结构的数字校准算法以改善高位转换错误对低位精度的影响。最后,设计并验证了该结构的先进性。测试结果表明,对比传统的单斜率ADC,本文设计的两步式连续时间混合型模数转换器转换时间由22μs变为4.5μs,速度约提高了 5倍。经过数字校准后,ADC的静态特性和动态特性得到了很大改善,没有失码现象,有效位达到9位以上,满足CMOS图像传感器帧频和精度的需求。b.对列并行CMOS图像传感器中模数转换器列电路的各个模块进行低噪声、低功耗进行研究,具体包括低功耗读出电路、具有失调消除技术的低噪声相关双采样电路、改进型高阶补偿带隙基准电路,动态频率补偿低压降线性调节器。提出了对于离散时间积分型斜坡发生器的优化方法。通过调整减小电压和采样电容,提高了斜坡发生器的线性度。此外,还提出了宽工作电压范围高阶补偿带隙基准电路。通过引入运放阻断补偿电流和调节电流大小的方法,减小了温度系数。在此基础上,设计了基于两步式连续时间混合型模数转换器的CMOS图像传感器系统。测试结果表明,整体设计满足低功耗和低噪声CMOS图像传感器需求。C.针对光流体显微镜无透镜成像的特点,提出了一种局部对比度增强算法,并应用于非线性CMOS图像传感器系统。利用可配置多频率计数器动态调节不同光强区间的计数频率,在模数转换分辨率不变的前提下,提高了细胞图像的局部对比度。通过搭建的光流体显微镜平台,对采集的细胞图像进行不同模式下对比度拉伸对比,验证了算法的可行性。对比表明,利用本文提出的可配置多频率计数方法,细胞局部具有更好的图像质量。