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TDI-CMOS成像系统研究与设计及MTF分析

作　者: 袁高斌
导　师: 李斌桥
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 时间延迟积分线阵图像传感器片上可编程系统调制传输函数速度匹配
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 3次
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内容摘要

传统的线阵图像传感器仅有一行像素感光阵列，通过像素阵列与被拍摄物体的相对运动获得二维的图像信息，应用领域主要在卫星拍摄、无人机航拍、医疗应用和工业机器视觉等，其性能主要于受到光照和运动速度的影响。时间延迟积分型图像传感器作为一种面阵结构、线阵输出的图像传感器，实现时间延迟积分累加，更加适合于低照度和高速的成像领域。CMOS技术的功耗低、兼容性强、易集成、抗辐射等特点，使得TDI-CMOS图像传感器的研究正成为新的趋势。本论文主要研究基于时间延迟积分型CMOS图像传感器的光学成像系统，分析CMOS图像传感器及时间延迟积分技术在国内外的发展现状及应用领域，讨论光学成像系统的评价参数，重点分析调制传输函数MTF在成像系统评价参数的重要意义，并详细讨论刀刃法计算调制传输函数的步骤。本文重点研究的内容是基于TDI-CMOS图像传感器成像系统的关键技术，完成成像系统的硬件电路设计与系统软件设计，采用Xilinx Virtex-5片上可编程开发板，自主设计的IP包括图像采集及处理IP、电机运动控制IP等。最后，采用调制传输函数MTF对于系统成像质量作出评价，讨论像素尺寸、累加级数对于成像质量的影响，重点研究速度失配对于调制传输函数的影响。在3lux光强下，累加级数为96级时，成像系统的调制传输函数MTF为0.5，在速度失配分别为2、5、10时，调制传输函数MTF分别下降10%、27%、35%，验证速度失配模型对于图像质量的影响。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-18
  1.1 图像传感器发展  8-9
  1.2 TDI-CCD 航天成像系统应用  9-10
  1.3 TDI 工作原理  10-13
  1.4 图像传感器成像评价  13-17
    1.4.1 调制传输函数 MTF 原理  14-16
    1.4.2 图像信噪比 SNR  16-17
  1.5 课题主要研究内容  17
  1.6 论文章节安排  17-18
第二章 MTF 的理论基础及测试方法  18-36
  2.1 光学成像系统特点  18-19
  2.2 MTF 光学理论基础  19
  2.3 MTF 特性（PSF、LSF、ESF）介绍  19-22
  2.4 成像系统 MTF  22-24
  2.5 常见 MTF 的测试方法  24-28
    2.5.1 点脉冲法  24-25
    2.5.2 正弦输入法  25
    2.5.3 刀刃法  25-26
    2.5.4 脉冲法  26-28
  2.6 刀刃法详细介绍  28-36
    2.6.1 边缘检测  29-31
    2.6.2 边缘拟合  31
    2.6.3 插值和提取边缘扩展函数  31-33
    2.6.4 计算线扩展函数  33
    2.6.5 截取线扩展函数  33-34
    2.6.6 计算 MTF 结果  34-36
第三章系统整体架构  36-50
  3.1 成像系统结构  36-37
  3.2 片上系统结构  37-39
  3.3 MicroBlaze 处理器  39-40
  3.4 LMB 总线  40-41
  3.5 PLB 总线  41-43
  3.6 视频帧缓冲控制器 VFBC  43-46
  3.7 I2C 总线接口及实现  46-48
  3.8 TDI 控制器及其实现  48-50
第四章硬件电路设计  50-57
  4.1 TDI-CMOS 图像传感器参数  50-55
  4.2 电机驱动电路设计  55-57
第五章实验结果及成像系统 MTF 分析  57-67
  5.1 成像系统功能验证  57-60
  5.2 MTF 速度失配模型  60-62
  5.3 MTF 评价标准的改进  62-67
第六章总结  67-68
参考文献  68-71
发表论文和参加科研情况说明  71-72
致谢  72

TDI-CMOS成像系统研究与设计及MTF分析

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