基于像素傳感芯片的高精度強(qiáng)子束流監(jiān)控探測器項目摘要

離子束治療是一種較為理想治療腫瘤的方法，我國在蘭州自主建成了第一個重離子束治療裝置。束流配送系統(tǒng)用來保證束流能量沉積準(zhǔn)確覆蓋腫瘤區(qū)間，而束流監(jiān)控系統(tǒng)是決定束流配送系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。我們提出使用微型時間投影室來監(jiān)控束流。微型時間投影室的電荷收集板由CMOS像素傳感器芯片組成。CMOS像素傳感器芯片的頂層金屬層暴露在外直接接收來自外面的電荷。經(jīng)過仿真，空間分辨率可以達(dá)到40微米。并且束流只穿過探測器的氣體，盡量減小了探測器的輻射厚度，同時避免了芯片的輻射損傷問題。

采用強(qiáng)子束流進(jìn)行癌癥治療的技術(shù)是治療癌癥的一種有效方法，為了確保強(qiáng)子束流能夠準(zhǔn)確到達(dá)癌癥位置，需要有在線的實時束流檢測系統(tǒng)來測量束流的位置和強(qiáng)度。傳統(tǒng)的測量方法一般采用分條電離室。分條電離室存在兩個問題，一個是位置分辨率不高，另一個是能夠引起一部分束流的散射。為了提高束流位置測試的精度，同時減小放置在人體前面的物質(zhì)，我們提出了采用像素電荷收集芯片來測量束流中心位置的方案。 我們設(shè)計了一個CMOS像素傳感器芯片，Topmetal II-，該芯片可以直接測量來自外部氣體中的電荷。它的像素間距為83μm。采用在標(biāo)準(zhǔn)0.35μm CMOS工藝生產(chǎn)，沒有任何后處理。像素陣列的大小為72X72，每個像素有幾個金屬電極延伸的像素的頂部。每個像素包含一個低噪聲電荷靈敏前置放大器（CSA）。芯片采用模擬輸出，將每一個像素的模擬值依次讀出到芯片外。像芯片每幀的讀出時間為3.3毫秒。每一個像素上的噪聲為13.9個電子。單個芯片像素陣列部分的尺寸約6毫米。 我們將該芯片并排放置在PCB上，每一排8個，分兩排。每排芯片的間距為3mm，這樣每排芯片可以覆蓋7cm的長度。芯片之間的縫隙可以完全被另外第二排的芯片覆蓋。在芯片的上面放置一個平面電極作為陰極，用來漂移電子。兩側(cè)的支架結(jié)構(gòu)為場籠，由平行的金屬條串聯(lián)電阻產(chǎn)生均勻的梯度電場，從而使陰極的芯片之間的產(chǎn)生均勻的電場。 我們在互相垂直的兩個方向上制作了兩個探測器，可以測量束流在X和Y方向的投影，從而確定束流中心的位置。將探測器在蘭州近代物理研究所進(jìn)行束流測試，測試結(jié)果顯示束流監(jiān)控器能夠測量束流的位置、角度和強(qiáng)度，位置分辨率17微米，角度分辨率0.5度，流強(qiáng)分辨率好于2%。可以探測到束流在x方向和y方向的分布，以及束流強(qiáng)度隨時間的變化。時間分辨率為3.3ms。 該探測器樣機(jī)可應(yīng)用強(qiáng)子癌癥治療中的束流定位。也可于氣體環(huán)境下的高流強(qiáng)束流的定位。

多傳感器圖像融合，即多傳感器信息融合中可視信息部分的融合，是多傳感器信息融合的重要分支。像素級圖像融合被認(rèn)為是現(xiàn)代多傳感器圖像處理和分析中非常重要的一步。多傳感器像素級圖像融合芯片實現(xiàn)的關(guān)鍵是在確保信息融合效果的前提下能夠?qū)崟r地進(jìn)行圖像處理。本項目將結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，對光學(xué)圖像像素級融合處理算法及SoC（片上系統(tǒng)）單芯片集成實現(xiàn)進(jìn)行研究。項目的重點之一，研究面向?qū)崟r信息處理應(yīng)用的像素級圖像融合算法，設(shè)計適合于VLSI（大規(guī)模集成）的算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)及聯(lián)合優(yōu)化方法。項目研究重點之二，在算法研究基礎(chǔ)上，研究融合信息系統(tǒng)SoC的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，涉及嵌入式多處理器內(nèi)核引入、體系架構(gòu)、系統(tǒng)的運(yùn)行效率、性能、專用加速引擎等。最后對系統(tǒng)單芯片實現(xiàn)時的有限字長效應(yīng)及算法結(jié)構(gòu)映射技術(shù)進(jìn)行研究。

CMOS圖像傳感器應(yīng)用廣泛，但其動態(tài)范圍較小，不能滿足記錄自然場景的需求。目前提高其動態(tài)范圍的方法存在著犧牲成像速度和質(zhì)量、電路架構(gòu)復(fù)雜、提升效果有限等缺點。本項目創(chuàng)新地提出利用像素電荷補(bǔ)償?shù)姆椒▉淼玫匠瑢拕討B(tài)范圍的CMOS圖像傳感器，特色是通過像素中加入一個附加的光電二極管，弱光時反偏，強(qiáng)光時自動轉(zhuǎn)換為正偏，從而實現(xiàn)電荷補(bǔ)償，使得像素輸出電壓在弱光下與光強(qiáng)成線性，強(qiáng)光下變成與光強(qiáng)對數(shù)成正比，達(dá)到提高圖像傳感器動態(tài)范圍的目的。該方案受工藝影響小，弱光下響應(yīng)速度快，信噪比高，強(qiáng)光下信號不飽和，動態(tài)范圍提升明顯。像素結(jié)構(gòu)簡單，無需采用復(fù)雜電路及額外時序來判斷入射光的強(qiáng)弱。處理電路及系統(tǒng)方案采用傳統(tǒng)積分式結(jié)構(gòu)，技術(shù)成熟可靠。目標(biāo)是所研究的圖像傳感器在30fps下動態(tài)范圍將接近或超過160dB。本項目的研究將能夠比較完美地解決CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍的問題，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

CMOS圖像傳感器在消費(fèi)電子、工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)控、醫(yī)療成像、科學(xué)研究、軍事國防等領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用，是一類非常重要的集成電路。然而，目前主流傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍較小，無法記錄自然場景接近180dB動態(tài)范圍的圖像信息，因此本項目研發(fā)具有超寬動態(tài)范圍的CMOS圖像傳感器意義十分重大。 本項目首先提出并研究了基于電荷補(bǔ)償技術(shù)的圖像傳感器原理；然后利用電荷補(bǔ)償技術(shù)實現(xiàn)了高動態(tài)CMOS圖像傳感器原型器件，對該圖像傳感器的性能進(jìn)行了詳細(xì)的測試，并對非理想因素進(jìn)行了分析；同時研究了一種基于兩次電荷轉(zhuǎn)移的高動態(tài)CMOS圖像傳感器，并研究了高分辨率、高動態(tài)范圍CMOS圖像傳感器信號獲取和處理電路，設(shè)計了圖像傳感器模擬輸出軌對軌放大器，適用于并行列模數(shù)轉(zhuǎn)換用的12bit循環(huán)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及適合于串行輸出的40MHz采樣率、14bit精度的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 本項目提出的像素電荷補(bǔ)償技術(shù)，具有本征的高動態(tài)范圍，其基本結(jié)構(gòu)是通過像素中加入一個附加的光電二極管，弱光時反偏，強(qiáng)光時自動轉(zhuǎn)換為正偏，從而實現(xiàn)電荷補(bǔ)償，使得像素輸出電壓在弱光下與光強(qiáng)成線性，強(qiáng)光下變成與光強(qiáng)對數(shù)成正比，達(dá)到提高圖像傳感器動態(tài)范圍的目的。該技術(shù)申請并獲得了國家發(fā)明專利。 通過這種技術(shù)實現(xiàn)的CMOS圖像傳感器像素在弱光下呈現(xiàn)線性響應(yīng)，在強(qiáng)光下為對數(shù)響應(yīng)，可響應(yīng)光功率密度在1.99×10^-9W/cm^2至0.448W/cm^2之間，等效動態(tài)范圍達(dá)到167dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前主流CMOS圖像傳感器約80dB的動態(tài)范圍。同時該圖像傳感器具有接近2V的輸出擺幅。設(shè)計的14bit流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了每級2.5bit精度的冗余架構(gòu)，前期測量結(jié)果顯示有效精度超過了10bit。 本項目所研究的圖像傳感器結(jié)構(gòu)簡單、處理電路與信號處理方案成熟可靠，將能夠比較完美地解決傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍較低的缺點，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。 2100433B