采用强子束流进行癌症治疗的技术是治疗癌症的一种有效方法，为了确保强子束流能够准确到达癌症位置，需要有在线的实时束流检测系统来测量束流的位置和强度。传统的测量方法一般采用分条电离室。分条电离室存在两个问题，一个是位置分辨率不高，另一个是能够引起一部分束流的散射。为了提高束流位置测试的精度，同时减小放置在人体前面的物质，我们提出了采用像素电荷收集芯片来测量束流中心位置的方案。 我们设计了一个CMOS像素传感器芯片，Topmetal II-，该芯片可以直接测量来自外部气体中的电荷。它的像素间距为83μm。采用在标准0.35μm CMOS工艺生产，没有任何后处理。像素阵列的大小为72X72，每个像素有几个金属电极延伸的像素的顶部。每个像素包含一个低噪声电荷灵敏前置放大器（CSA）。芯片采用模拟输出，将每一个像素的模拟值依次读出到芯片外。像芯片每帧的读出时间为3.3毫秒。每一个像素上的噪声为13.9个电子。单个芯片像素阵列部分的尺寸约6毫米。 我们将该芯片并排放置在PCB上，每一排8个，分两排。每排芯片的间距为3mm，这样每排芯片可以覆盖7cm的长度。芯片之间的缝隙可以完全被另外第二排的芯片覆盖。在芯片的上面放置一个平面电极作为阴极，用来漂移电子。两侧的支架结构为场笼，由平行的金属条串联电阻产生均匀的梯度电场，从而使阴极的芯片之间的产生均匀的电场。 我们在互相垂直的两个方向上制作了两个探测器，可以测量束流在X和Y方向的投影，从而确定束流中心的位置。将探测器在兰州近代物理研究所进行束流测试，测试结果显示束流监控器能够测量束流的位置、角度和强度，位置分辨率17微米，角度分辨率0.5度，流强分辨率好于2%。可以探测到束流在x方向和y方向的分布，以及束流强度随时间的变化。时间分辨率为3.3ms。 该探测器样机可应用强子癌症治疗中的束流定位。也可于气体环境下的高流强束流的定位。

离子束治疗是一种较为理想治疗肿瘤的方法，我国在兰州自主建成了第一个重离子束治疗装置。束流配送系统用来保证束流能量沉积准确覆盖肿瘤区间，而束流监控系统是决定束流配送系统性能的关键。我们提出使用微型时间投影室来监控束流。微型时间投影室的电荷收集板由CMOS像素传感器芯片组成。CMOS像素传感器芯片的顶层金属层暴露在外直接接收来自外面的电荷。经过仿真，空间分辨率可以达到40微米。并且束流只穿过探测器的气体，尽量减小了探测器的辐射厚度，同时避免了芯片的辐射损伤问题。

多传感器图像融合，即多传感器信息融合中可视信息部分的融合，是多传感器信息融合的重要分支。像素级图像融合被认为是现代多传感器图像处理和分析中非常重要的一步。多传感器像素级图像融合芯片实现的关键是在确保信息融合效果的前提下能够实时地进行图像处理。本项目将结合国内外相关技术的发展现状，在现有工作的基础上，对光学图像像素级融合处理算法及SoC（片上系统）单芯片集成实现进行研究。项目的重点之一，研究面向实时信息处理应用的像素级图像融合算法，设计适合于VLSI（大规模集成）的算法实现结构及联合优化方法。项目研究重点之二，在算法研究基础上，研究融合信息系统SoC的实现结构，涉及嵌入式多处理器内核引入、体系架构、系统的运行效率、性能、专用加速引擎等。最后对系统单芯片实现时的有限字长效应及算法结构映射技术进行研究。

CMOS图像传感器应用广泛，但其动态范围较小，不能满足记录自然场景的需求。目前提高其动态范围的方法存在着牺牲成像速度和质量、电路架构复杂、提升效果有限等缺点。本项目创新地提出利用像素电荷补偿的方法来得到超宽动态范围的CMOS图像传感器，特色是通过像素中加入一个附加的光电二极管，弱光时反偏，强光时自动转换为正偏，从而实现电荷补偿，使得像素输出电压在弱光下与光强成线性，强光下变成与光强对数成正比，达到提高图像传感器动态范围的目的。该方案受工艺影响小，弱光下响应速度快，信噪比高，强光下信号不饱和，动态范围提升明显。像素结构简单，无需采用复杂电路及额外时序来判断入射光的强弱。处理电路及系统方案采用传统积分式结构，技术成熟可靠。目标是所研究的图像传感器在30fps下动态范围将接近或超过160dB。本项目的研究将能够比较完美地解决CMOS图像传感器动态范围的问题，具有重要的科学意义和应用价值。

CMOS图像传感器在消费电子、工业生产、安全监控、医疗成像、科学研究、军事国防等领域都获得了广泛应用，是一类非常重要的集成电路。然而，目前主流传统的CMOS图像传感器动态范围较小，无法记录自然场景接近180dB动态范围的图像信息，因此本项目研发具有超宽动态范围的CMOS图像传感器意义十分重大。 本项目首先提出并研究了基于电荷补偿技术的图像传感器原理；然后利用电荷补偿技术实现了高动态CMOS图像传感器原型器件，对该图像传感器的性能进行了详细的测试，并对非理想因素进行了分析；同时研究了一种基于两次电荷转移的高动态CMOS图像传感器，并研究了高分辨率、高动态范围CMOS图像传感器信号获取和处理电路，设计了图像传感器模拟输出轨对轨放大器，适用于并行列模数转换用的12bit循环型模数转换器，以及适合于串行输出的40MHz采样率、14bit精度的流水线型模数转换器。 本项目提出的像素电荷补偿技术，具有本征的高动态范围，其基本结构是通过像素中加入一个附加的光电二极管，弱光时反偏，强光时自动转换为正偏，从而实现电荷补偿，使得像素输出电压在弱光下与光强成线性，强光下变成与光强对数成正比，达到提高图像传感器动态范围的目的。该技术申请并获得了国家发明专利。 通过这种技术实现的CMOS图像传感器像素在弱光下呈现线性响应，在强光下为对数响应，可响应光功率密度在1.99×10^-9W/cm^2至0.448W/cm^2之间，等效动态范围达到167dB，远远高于目前主流CMOS图像传感器约80dB的动态范围。同时该图像传感器具有接近2V的输出摆幅。设计的14bit流水线模数转换器采用了每级2.5bit精度的冗余架构，前期测量结果显示有效精度超过了10bit。 本项目所研究的图像传感器结构简单、处理电路与信号处理方案成熟可靠，将能够比较完美地解决传统CMOS图像传感器动态范围较低的缺点，具有重要的科学意义和应用价值。 2100433B