一个3D叠层可编程图像处理引擎在40nm逻辑过程用一个探测阵列在45nm CMOS图像传感器技术

一个3D叠层可编程图像处理引擎在40nm逻辑过程用一个探测阵列在45nm CMOS图像传感器技术

 

摘要-

现在手机摄像头系统呈现巨大图像信号处理(ISP)编程限制，因为ISP算法是主要硬件编码通过应用处理器。我们呈现原理设计使用8MP探测阵列在45nm BSI CMOS图像传感器，和40nm逻辑技术。我们相信这个RICA叠层图像传感器技术呈现一个高效的可编程的解决方案为邻 IOT市场，和下一代计算型摄像头技术。

 

1、介绍

当手机摄像头进入大量市场和总的改变路径我们通信，分享照片、视频和参加社会活动，手机摄像头系统组成关于离散型光学和传感器，但是用集成处理和多功能的系统。这个图像路径提供压缩系统解决方案使用更少客户器件。虽然这方法仍然面临复杂调试，它代表了成熟的解决方案。

当范例转变向手机计算照片，这基本上转移从分立摄像头系统到集成图像和数字光学，到补偿计算关于技术限制。因此，概念关于计算摄像头组成由集成光学，集成传感器，处理器，多功能系统，会提供一个全集成系统使用复杂图像调试替换由软件编程。

它变得明显的就是下一代摄像头系统会计算，并接近耦合到光学和处理。甚到今天多种不同的可用图像传感器技术使编程架构喜欢的解决方案。重配置命令单元RICA有被开发使用构加目标在高束数据流量应用。这个处理架构管合作为重可配置图像和视频内核。它提供配置关于一个FPGA，编程性关于DSP，并在相同时间速度关于硬线解决方案。使用可用性关于叠层图像传感器技术，它呈现一个机会去插入RICA到一个叠层式的图像应用。

 

2、器件编队

我们已经设计和制造了一个RICA ASIC 晶圆叠加由一个像素阵列晶圆关于8MP，1.1um间距BSI 图像传感器有低噪声读出作为测试工具，如显示在图1.这个器件采用优势关于成熟3D叠加技术关于45nm CIS过程和40nm 逻辑过程在TSMC。像素架构采用2x2共享来获得像素单元采用关于照片检测器。设计关于低读出噪声图像采纳读出架构包括列放大器，比较器和10到12位可编程列并列 单斜率ADC伴随用全局12位电流DAC，可以编程来产生各种斜率关于舷梯信号并应用时间scheme来抑制读出噪声。电路框图划分战略是组成由检测阵列和竖扫描用阵列晶圆绑定和ASIC晶圆，包括RICA ISP，和图像传感器读出接口电路。

 

 

图1.叠层RICA ASIC 晶圆使用检测阵列晶圆关于电路划分

   

RICA是一个阵列关于粗粒 16位架构元件绑着和互连布允许建造更大数据路径，类似FPGA.可编程器件是异质和选择高效画图图像和视频应用。不像FPGA哪里有单配置被载入，在这个架构中非常广编程RAM(PRAM)允许快速切换在几个上下文之间。切换被控制通过元素在阵列中被叫做JUMP-单元，它高效地做为一个命令控制器；地址关于执行上下文被产生在运行时间并且是通常数据依靠。这给出架构能力来方便地搪行控制部分关于目标算法并且允许高级C编译器来直接画程序流作为不同的上下文,在类似通道DSP。来高效画一个算法阵列，编译器尝试来让上下文使用作为许多单元作为可能通过增加他们的并列,在相同途径给ASIC和FPGA设计。这个阵列锁定时钟在最低频率可能来获得需求的输入输出带宽，它可以经常围绕在100MHz.这个大量并列给RICA一个无抑制优势在省功耗在跑相同任务在一个应用处理器。

如所见在图2，一个分立的SBUF块包含数据RAM.这个RAM组成由32个分立线长16位块，它可以进入在并行独立，给高内部数据带宽给内核。这个SBUF接口允许方便地创造线延时和图像窗口。内核支持一个宽的输入输出，但是为目的关于叠层图像传感器这被限制到一个单像素输入和输出。

图2， 图形代表关于硅布局为RICA内核

3、器件特性

这个器件有效果关于图像阵列特点合理低暗电流和热像素分布，并且线性全井容量关于4800-e，有感应节点转变增益关于120uV/e,并且敏感度关于4200 [email protected] nm.读出噪声被测量在8X 模拟增益，并且输入参考关于2.2-e_rms已经被获得。照片响应特征，诸如非一致性，非线性 并且开花比例，是相当intact对比领先边缘CMOS图像传感器解决方案。

而且，叠层图像传感器扮演是不降级从它的非叠层图像对方,并且在某种情况下，跑赢大市BSI基线。总线器件关键性能指数被列在表一。

 

表一，器件关键性能指数测量

 

4、图像处理

今天的ISP安提成通过应用处理器是被限制到支持RGBG Bayer格式。 用新格式关于RGBW，RGBIR， ZIGZAG-RGB， I-HDR和PDAF，现在的方案是扮演处理在外部芯片，并且转化到RGBG Bayer. 使用我们的目标RICA叠层方案，它允许灵活地编程图像处理算法并且允许加强图像质量在不同的像素阵列格式或格式。

我们的通用De-MOSAIC算法被应用到处理源图像数据拍摄通过叠层图像传感器，它说明超级图像保真度有PSNR关于40.7, 41.5和39dB在红/绿/蓝 色彩通道独立地，它被平均通过6-块关于Macbeth色卡。最终的图像被显示在图像4.另外，扮演解马赛克Bayer CFA格式，另外格式包括RGBW,Bayer 1.5X(3x3), Kodak PanChromatic, 和Lukac（4x4) CFA样式全部证明高效关于满意的PSNR和色彩保真度.

 

图4 图像在通用去马赛克处理

 

加上可见图像应用，另外使用情况在NIR感应，包括结构光深度传感，3D扫描，物体识别和iris扫描。 说明在图像演示一个结构光演度传感例子关于NIR 源数据。这个图像被拍摄通过单模式边缘发射激光投射通过内置衍射光学 器件(DOE)样式，并且反身通过物体到NIR接收器 焦平面跟踪通过处理在RICA. RICA处理代码检测获得深度地图如显示在图6。

图5， 源NIR图像使用结构光DOE投射器。

 

图6，在以后编码检测关于图5和深度图创造

 

而且，3D扫描是执行用结构光投射器，它可以收集一个大数据串组合关于3D点数据，并且处理用RICA 3D 重构造算法用创造点云图像显示在图7.

这个演示的结构光深度传感解决方案使用RCIA 叠层图像传感器将会允许功能商业化在室外点云为光检测和范围(LiDAR)来搜集几何点云数据，并且在汽车驾驶应用。

 

图7、点云创造通过3D扫描用结构光DOE投射器。

 

5、结论

我们已经成功地设计和原型化一个专用图像信号处理引擎叠层通过一个8MP图像阵列在45nm CMOS BSI图像芯片和40nm ASIC技术。 这个演示叠层传感器方案可以提供灵活，功耗节省和高效编程ISP引擎来允许应急数字图像应用，和未来计算照相机。