TDI-CMOS图像传感器调制传输函数研究：多次采样与叠加效应

"李林、姚素英、徐江涛等人在《光学学报》第34卷第2期中，研究了TDI-CMOS图像传感器在多次采样叠加下的调制传输函数（MTF）模型。他们基于行滚筒曝光读出原理，探讨了采样次数、叠加次数、TDI级数和速度失配比对扫描MTF的影响。通过建立成像仿真系统并利用刃边法计算MTF曲线，验证了模型的准确性。结果表明，扫描MTF与这些因素有直接关系：随着采样次数增加，MTF提高；而采样次数固定时，MTF随叠加次数增加而降低；同时，MTF会因速度失配比和TDI级数增大而减小。" 本文主要关注的是TDI-CMOS图像传感器在多次采样叠加情况下的性能分析，特别是其调制传输函数（MTF）特性。调制传输函数是衡量成像系统分辨率的关键指标，它反映了图像传感器将物体细节转化为图像的能力。在时间延迟积分（TDI）模式下，传感器通过连续多次采样来提高信噪比和分辨率，尤其适用于低光照环境的成像应用。 作者首先介绍了基本的行滚筒曝光读出原理，这是TDI-CMOS传感器工作的一个关键环节。在每个行周期内，图像信号会根据采样次数进行多次积累，从而实现信号的增强。他们深入研究了在不同采样次数、叠加次数、TDI级数（即信号积累的阶段数）以及速度失配比（传感器与被摄物体相对运动的不匹配程度）条件下，MTF的变化规律。 实验结果显示，增加采样次数能有效提升MTF，这是因为更多的采样可以减少噪声影响，提高成像质量。然而，当采样次数保持不变，增加叠加次数会导致MTF下降，这可能是因为更多的图像叠加增加了噪声的累积效应。此外，速度失配比和TDI级数的增加都会导致MTF下降，这可能与信号积累过程中的失真和噪声增加有关。 为了验证提出的MTF模型，作者构建了一个成像仿真系统，并采用刃边法计算MTF曲线。这种方法通过分析图像边缘的衰减来评估MTF，是一种常见的MTF测量手段。仿真结果与理论分析一致，进一步证实了模型的有效性。 这项研究对于理解和优化TDI-CMOS图像传感器在高精度成像应用中的性能具有重要意义，特别是在遥感、生物医学成像和工业检测等领域，对提高图像质量和分辨率的需求日益增长。通过精确控制采样策略和系统参数，可以有效地改善传感器的MTF性能，从而提升整体成像系统的性能。