智能CMOS圖像傳感器與應用 (第2版) 9787302635307 (日)太田淳(Jun Ohta)著 史再峰 高靜

內容簡介
本書是智能CMOS圖像感測器入門經典，深入淺出地介紹固態圖像感測器的原理和像素結構，詳細闡述各種新型智能CMOS圖像感測器的架構和設計方法，簡要介紹在信息通信技術（ICT）、化學、生物學以及醫學等領域的智能應用實例。附錄提供有關常數、照度、MOSFET特性和光學解析度的一系列信息，包括智能材料、智能成像和應用的擴展。本書採用循序漸進的敘述方式，力求為讀者帶來對智能CMOS圖像感測器關鍵技術的全面解讀。
本書可作為高校集成電路、微電子、電子科學與技術等專業的本科生、研究生教材，也可供相關領域的科研人員、工程技術人員參考。

作者簡介
1 作者：
Jun Ohta(太田淳) ，分別於1981年、1983年和1992年在東京大學應用物理學專業獲得學士、碩士和博士學位，1998年評為日本奈良科技學院副教授，2004年評為教授，2021年起擔任奈良科技學院的執行理事和副校長。一直從事光電子集成電路和人工視網膜晶元的研究，研究領域包括智能CMOS圖像感測器、視網膜假體設備和系統等。曾獲多個獎項，包括日本電子情報通信學會最佳論文獎、市村獎、日本國家發明獎、丹羽高柳獎、林嚴雄獎、日本電子情報通信學會成就獎等。IEEE、日本應用物理學會和日本電氣工程師學會高級成員，《IEEE生物醫學電路與系統》《日本應用物理雜誌》等期刊副主編，擔任IEEE ISSCC、IEEE BioCAS等知名會議的技術委員會和大會聯合主席。
2 譯者：
（1）史再峰，天津大學英才副教授。研究領域包括成像感知與計算、VLSI設計等。講授「數字集成電路設計」「SoC設計方法學」等課程。主持國家自然科學基金等多個項目，獲中國專利優秀獎、天津市科學技術進步獎一等獎、天津市教學成果特等獎、天津市工程專業學位優秀指導教師等榮譽。編寫和翻譯出版《SoC設計方法與實現》等3部教材或專著。
（2）高靜，天津大學英才副教授。研究領域包括混合集成電路設計等。講授「模擬集成電路設計」等課程。主持國家自然科學基金項目和國家重點研發課題等項目。獲天津市科學技術進步獎一等獎、天津市專利金獎、中國專利優秀獎等榮譽。
（3）徐江濤，天津大學英才教授。長期從事集成電路設計技術研究。講授「混合信號設計技術」「高等模擬集成電路」等課程。主持國家科技重大專項課題等重大項目十余項。獲天津市高等教育（研究生）教學成果特等獎、中國專利優秀獎、天津市科學技術進步獎一等獎、天津市專利金獎、中國電子學會優秀碩士學位論文指導教師等榮譽。

目錄

目錄
第1章緒論
1 1綜述
1 2CMOS圖像感測器簡史
1 2 1MOS圖像感測器與CCD圖像感測器的對比
1 2 2像素內置放大器型固態感測器
1 2 3如今的CMOS圖像感測器
1 3智能CMOS圖像感測器簡史
1 3 1視覺晶元
1 3 2CMOS工藝和智能CMOS圖像感測器的發展
1 3 3高性能的智能CMOS圖像感測器
1 4本書的內容安排
第2章CMOS圖像感測器基礎
2 1簡介
2 2光電探測器的基本原理
2 2 1吸收係數
2 2 2少數載流子的運動
2 2 3靈敏度和量子效率
2 3智能CMOS圖像感測器中的光電探測器
2 3 1PN結光電二極體
2 3 2柵極感光感測器
2 3 3光電晶體管
2 3 4雪崩光電二極體
2 3 5光電導探測器
2 4光電二極體的累積模式
2 4 1累積模式下的電勢變化
2 4 2電勢分佈
2 4 3光電二極體中光生載流子的運動
2 5基本像素結構
2 5 1無源像素感測器
2 5 23T有源像素感測器
2 5 34T有源像素感測器
2 6感測器的外設
2 6 1定址
2 6 2讀出電路
2 6 3模數轉換器
2 7感測器的基本特性
2 7 1雜訊
2 7 2動態範圍
2 7 3速度
2 8色彩
2 8 1片上彩色濾光片型
2 8 2三成像感測器型
2 8 3三色組合光源型
2 9像素結構比較
2 10CMOS圖像感測器與CCD圖像感測器的比較
第3章智能結構和材料
3 1簡介
3 2智能像素
3 2 1模擬型像素
3 2 2脈衝調製型像素
3 2 3數字型像素
3 3智能材料和結構
3 3 1絕緣體上硅
3 3 2擴展到近紅外區
3 3 3背照式CMOS圖像感測器
3 3 4三維集成
3 3 5用於顏色識別的智能結構
3 4智能CIS的專用像素陣列和光學元件
3 4 1相位差檢測自動對焦
3 4 2全景成像
3 4 3受生物學啟發的圖像感測器
3 4 4光場相機
3 4 5偏振成像
3 4 6無透鏡成像
第4章智能成像
4 1簡介
4 2高靈敏度
4 2 1降低暗電流
4 2 2差分APS
4 2 3高轉換增益像素
4 2 4單光子雪崩二極體
4 2 5列并行處理
4 3高速度
4 3 1概述
4 3 2全局曝光
4 3 3高速成像的列或像素并行處理
4 3 4超高速
4 4寬動態範圍
4 4 1概述
4 4 2非線性響應
4 4 3線性響應
4 5解調
4 5 1概述
4 5 2相關法
4 5 3雙電荷積累區法
4 6三維測距
4 6 1概述
4 6 2飛行時間
4 6 3三角測距
第5章應用
5 1簡介
5 2信息與通信技術方面的應用
5 2 1無線光通信
5 2 2光學識別標籤
5 3化學工程方面的應用
5 3 1旋光性成像
5 3 2pH成像感測器
5 4生物科學與生物技術方面的應用
5 4 1附著型
5 4 2片上型
5 4 3植入型
5 5醫學方面的應用
5 5 1膠囊型內窺鏡
5 5 2視網膜假體
參考文獻
附錄A常量表
附錄B光照度
附錄C人眼和CMOS圖像感測器
附錄D可見光和紅外光的波長區域
附錄EMOS電容的基本特性
附錄FMOSFET的基本特徵
附錄G光學格式和解析度
附錄H本徵光信號和體內窗口

前言/序言
第2版前言
本書作為2007年出版的《智能CMOS圖像感測器及其應用》一書的第2版，其編著目的和宗旨依舊遵照上一版。在此，我重申在第1版前言中闡述之目的：
智能CMOS圖像感測器是突出在圖像感測器上實現智能的功能和系統應用。人們提出了一些智能圖像感測器的概念，並且其中的一些智能圖像感測器已經商業化。智能CMOS圖像感測器領域不僅發展迅速，還催生了更多的新型感測器。儘管我在這本書中試圖窮盡關於智能CMOS圖像感測器及其應用領域的相關文獻資料，但該領域涉及的內容不勝枚舉，有些部分難以盡述。此外，該領域的發展瞬息萬變，在成書的過程中難免已經出現新的熱點話題。不過，我相信本書已完整涵蓋了智能CMOS圖像感測器領域的所有關鍵要素，它將幫助該領域的研究生和工程師展開新一階段的工作。
時光荏苒，距本書第1版出版已有12載，圖像感測器領域發生了翻天覆地的變化。如今的智能手機不僅配置了前置和後置兩組攝像頭，還在像素數量、靈敏度和速度等性能參數方面取得了難以置信的進步。本書第1版中所提到的一些智能功能已經商業化。鑒於該領域的巨大變化，我們對第1版進行了修訂，追隨智能CMOS圖像感測器及其應用的發展前沿，適配最新的技術。當然，正是由於這一領域12年來的蓬勃發展和技術進步，本人再著新版的部分章節時才能心手相應。
本書秉承第1版的結構： 第1章介紹MOS成像和智能CMOS圖像感測器。第2章描述CMOS圖像感測器的基本原理，並詳細介紹光電器件物理的相關知識，同時分析典型的CMOS圖像感測器如有源像素感測器(APS)的結構。第3~5章構成本書的核心，在這些章節中深入剖析智能CMOS圖像感測器。第3章介紹幾種用於智能CMOS圖像感測器的智能結構與材料。第4章通過這些結構和材料描述智能成像的特徵，如高靈敏度、高速成像、寬動態範圍圖像感應和三維(3D)測距。第5章給出智能CMOS圖像感測器在信息和通信技術(ICT)、化學、生物學以及醫學等領域的應用實例。
這項工作受到此前眾多有關CMOS圖像感測器技術書籍的啟發，特別是： A Moini的Vision Chips〔1〕全面概述視覺晶元； J Nakamura的Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras〔2〕詳細地介紹此領域近年來的最新成果； K Yonemoto的Fundamentals and Applications of CCD/CMOS Image Sensors〔3〕完整地介紹CCD和CMOS圖像感測器； 還有T Kuroda 的Essential Principles of Image Sensors〔4〕。其中給我印象最深刻的是K Yonemoto的著作，可惜該書只有日語版。我由衷地希望現在的工作能有助於闡明這一領域的研究，對Yonemoto的著作內容進行補充。受相關領域許多其他日本高級研究人員的著作影響，本書最終才得以出版，其中包括Y Takemura〔5〕、Y Kiuchi〔6〕、T Ando和H Komobuchi〔7〕、K Aizawa和T Hamamoto〔8〕等諸位專家，另外，本書的編纂也離不開A J P Theuwissen關於CCD的論著。
衷心感謝所有對本書提供了直接和間接幫助的人。特別感謝奈良科技學院材料科學研究所光學器件實驗室的教授們，他們意義深遠的工作形成了第5章的內容。現任教師包括Kiyotaka Sasagawa、Hiroyuki Tashiro、Makito Haruta、Hironari Takehara，前任教師包括現在供職于東京工業大學的Takashi Tokuda、靜岡大學的Keiichiro Kagawa、豐橋技術科學大學的Toshihiko Noda和東京大學的Hiroaki Takehara。沒有他們的鼎力相助，本書難以問世。還要感謝Masahiro Nunoshita在實驗室工作初期給予的大力支持和鼓勵。同時，要向現任秘書Ryoko Fukuzawa和前任秘書Kazumi Matsumoto在眾多行政事務方面的工作致謝。此外，還要向實驗室曾經和現在工作的博士后研究員、技術人員和研究生道謝，正是他們全力以赴的工作，換來了本書的早日出版。
關於視網膜假體的研究課題，感謝視網膜假體項目的第一負責人，大阪大學的Yasuo Tano、Takashi fujikado和Tetsuya Yagi。同時感謝Nidek有限公司的人工視網膜項目組成員Motoki Ozawa、Kenzo Shodo、Yasuo Terasawa、Hiroyuki Kanda和Naoko Tsunematsu。此外，感謝體內成像感測器的合作者，Sadao Shiosaka、Hideo Tamura、David C Ng和Takuma Kobayashi，深深感謝Masamitsu Haruna在體內圖像感測器研究上不斷地鼓勵我，感謝我的學士、碩士和博士論文導師Ryoichi Ito在我的整個研究過程中的持續鼓勵。
我首次踏入CMOS圖像感測器研究領域是在1992—1993年，那時我還是科羅拉多大學博爾德分校Kristina M Johnson的訪問研究員。這一段經歷使我受益匪淺，也啟發了我回到三菱電氣集團后的初步研究。感謝三菱電氣集團所有同事的幫助和支持，包括Hiforumi Kimata、Shuichi Tai、Kazumasa Mitsunaga、Yutaka Arima、Masahiro Takahashi、Yoshikazu Nitta、Eiichi Funatsu、Kazunari Miyake、Takashi Toyoda等。
由衷地感謝ChungYu Wu、Masatoshi Ishikawa、Jun Tanida、Mitumasa Koyanagi、Jun Tanida、Shoji Kawahito、Atsushi Ono和C Tubert允許我在書中使用他們的觀點和數據。
我從日本圖像信息與電視工程師學會的委員們身上也學到了很多東西，尤其是Shigetoshi Sugawa、Kiyoharu Aizawa、Kazuaki Sawada、Takayuki