CZT探测器低噪声读出电路设计

采用TSMC 0.35 μm CMOS工艺,设计了CZT探测器低噪声读出电路链和一款多通道能量读出ASIC,该电路将应用于8×8 CZT像素探测器的能量读出.给出了系统框图及低噪声能量读出电路链,分析了低噪声技术策略.实验结果表明,能量分辨范围为20 keV～4 MeV,等效噪声电荷(ENC)小于150个电子,电荷转电压增益为9.2 V/pC,非线性度小于3％,多通道串扰小于10个电子,满足设计需求.     

扫描器性能实时检测装置中拖尾现象的消除

在扫描器性能检测设备研制过程中遇到的ccD拖尾现象,通过分析其产生机理,确定了拖尾现象的产生是由于帧转移型CCD在信号转移期间,成像区光敏单元仍处于感光状态,使成像区前一行的光敏元对成像区后一行的光敏元造成影响,从而形成拖尾.根据其产生机理,采取设计同步控制电路的办法,使得在数据读出过程中,快门处于关闭状态,使得感光区光敏元上没有光输入,从而解决了拖尾问题,实现了对于扫描器性能的实时检测.实验表明,本文所采用的技术方案,可以很好的解决CCD的拖尾问题.     

小像元10μm中心距红外焦平面读出电路设计

研制出一款小像元10μm中心距红外焦平面探测器CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（read out integrated circuit）。读出电路设计包括积分后读出（integration then reading,ITR）和积分同时读出（integration while reading,IWR）模式,ITR模式下有2档增益,电荷满阱容量分别为4.3 Me-和1.6 Me-,其他功能包括抗晕、串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.18μm工艺,电源电压3.3 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频100 Hz,读出电路噪声小于0.2 mV。本文介绍了该款读出电路设计的基本架构,分析了在小的积分电容下电路抗干扰能力的设计。在测试过程中,发现了盲元拖尾现象,分析了拖尾现象产生的原因,为解决拖尾现象设计了抗晕管栅压产生电路,最后给出了整个电路的测试结果。     

Vernier阳极探测器及其电子读出电路的设计

介绍基于一维游标阳极的紫外单光子计数成像探测系统及其信号预处理电路的原理,重点设计和制作了一维游标阳极探测器的前端电子读出电路,用以探测脉宽100~200 ms,电荷量为1~20 pc的脉冲。通过使用自己实验室搭建的单光子计数成像系统对电子读出电路进行了测试。测试结果表明,电子读出电路能够满足探测系统的成像要求,并在实验中利用电路对掩膜板成像,成功获得了灰度图像。     

1280 × 1024，10 μm数字红外焦平面读出电路设计（特邀）

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280 × 1024, 10 μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157 μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。     

高性能低噪声数字读出电路

红外焦平面的数字读出是信息化发展的必然方向,其关键技术是数字读出电路。介绍了数字读出电路的发展现状和主要架构,重点分析了时间噪声和空间噪声的来源和影响,并给出低噪声设计指导。同时对线性度、动态范围和帧频等主要性能进行了讨论,设计了两款数字读出电路。采用列级ADC数字读出架构设计了640×512数字焦平面探测器读出电路,读出噪声测试结果为150 μV,互连中波探测器测试NETD为13 mK。基于数字像元读出架构设计了384×288数字焦平面探测器读出电路,互连长波探测器测试NETD小于4 mK,动态范围超过90 dB,帧频达到1 000 Hz。所设计的两款读出电路有效提升了红外焦平面的灵敏度、动态范围和帧频等性能,表明数字读出电路技术对红外探测器性能的提升具有重要作用。     

SiNx钝化256元InGaAs短波红外焦平面探测器

为了改善器件的响应均匀性,通过优化台面制作与SiNx钝化工艺制备了高均匀性256元线列正照射InGaAs探测器,实现了该探测器与读出电路的互连,测试了器件的I-V特性、光谱响应、信号和噪声,并利用激光感生电流技术研究了探测器的串音和光敏感区的扩大问题.测试结果表明:在-0.5V偏压下,探测器的暗电流典型值约为0.9nA,平均峰值探测率为7.8×1011cm·Hz1/2·W-1,响应的不均匀性为4.8%.LBIC测试结果表明:光敏元区没有扩大,光敏元之间串音较小,并成功实现了室温扫描成像,图像比较清晰.     

自稳零低噪声CTIA读出电路研究

红外探测器在国防航天领域应用广泛,其低噪声读出电路是获得有用清晰红外图像的基础。当探测器工作在高背景微弱信号下时,常出现噪声扰动大,各元信号高低不平,部分信号无法读出的问题。针对国内航天工程应用需求,文章设计了一种低噪声的新型读出电路。该电路在传统CTIA的基础上,设计了自稳零技术和新型相关双采样电路,对噪声抑制表现出优良的作用。可应用于低温中波线列红外HgCdTe航天探测器的信号读出以及其他低温和常温探测器的信号读出,工作温度范围为77~300K。基于0.35μm,5V-CMOS工艺进行了10×1线列读出电路后仿真验证与流片,结果表明,与传统CTIA电路对比,输出噪声下降44.7%,总输出噪声仅为72.1μV。     

小像元红外探测器读出电路设计研究

介绍了基于SMIC 0.18 μm 3.3 V工艺设计研究的第一款小像元红外探测器读出电路,间距10 μm,规模1024×1024。文章详细介绍了像素输入级以及列级、输出级运放的设计,为提高线性摆伏,设计选用了低阈值NMOS管nmvt 33,仿真分析证明低阈值管nmvt 33的噪声性能优于普通管n 33；版图设计对关键信号线和敏感点采取隔离处理措施,对像元间串扰进行了仿真分析,有效控制了信号串扰。电路经测试使用各项功能正常,最大电荷处理能力达到4.3 Me-,动态范围≥65 dB,读出速率达到10 MHz,性能指标满足设计要求。     

量子阱红外探测器衬底完全去除技术研究

背面减薄技术对于提高量子阱红外焦平面探测器的性能有着重要的意义,通过衬底减薄能够缓解探测器芯片与读出电路的热膨胀失配,提高互连混成芯片可靠性,同时能够有效降低串扰。本文结合机械研磨、化学机械抛光和选择性湿法腐蚀技术,实现了量子阱探测器互连混成芯片的衬底完全去除。     

基于最优背景估计的星敏感器抗杂散光星点提取方法

研究了杂散光干扰下星敏感器星点提取问题。在杂散光干扰下,星点提取的效果会变差,这会使解算的姿态不准确和不可靠。为了抵抗杂散光干扰,提出了一种基于最优背景估计的抗杂散光星点提取方法。首先,分析了杂散光在星敏感器中的成像特点,构建了杂散光的具有闭合解的曲面模型;然后,设计了基于最优曲面的杂散光背景估计方法和星点提取方法;最后,采用仿真的杂散光图像和星敏感器采集的杂散光图像验证了算法的性能。实验结果表明:该方法得到的星点检测率、误检率和质心定位精度均优于现有基于背景和形态学的方法,该方法对杂散光有较好的抑制能力。     

An image sensor with an in-pixel demodulation function for detecting the intensity of a modulated light signal

An image sensor with an in-pixel demodulation function for detecting modulated light is proposed and demonstrated. The pixel has two floating diffusion regions, one of which stores charges produced by static illumination, and the other stores charges produced by both static and modulated illumination. By subtracting the two outputs, images produced only by the modulated illumination can be obtained. Based on the proposed circuit, an image sensor with 64 /spl times/ 64 pixels is fabricated using a 0.6 /spl mu/m two-poly three-metal CMOS technology. Using this sensor, we successfully demonstrate the extraction of the modulated component of images under constant illumination conditions. In addition, for the application of motion capture, we demonstrate that a marker, which is a modulated light source, can be extracted from a captured image under several light conditions by using this sensor. Finally, means of improving the characteristics of charge transfer efficiency are discussed.     

Surface reflectance mapping using interferometric spectral imageryfrom a remotely piloted aircraft

During October 1997, a prototype sensor was flown on an experimental remotely piloted aircraft over the island of Kauai as part of a terrestrial remote sensing technology feasibility study. The authors describe the deployment, testing, and evaluation of the compact lightweight sensor design based on two-beam interferometry for acquiring visible and near-infrared spectral images. The resulting images of agricultural fields and an air base facility are presented and evaluated. Surface albedo measurements obtained from a ground based spectrometer and an atmospheric profile measured from a radiosonde were used to establish ground-truth and to evaluate the spectral imager's performance. Quantitative intercomparisons between ground-based and airborne-based measurements were made using an atmospheric model based on MODTRAN together with algorithms to account for the sensors' differences in instrumental line shape and spectral sampling grids. The future potential of this alternative sensor technology is discussed in the light of current and predicted sensor performance     

基于SIFT/ORB几何约束的红外与可见光图像特征点匹配

红外图像与可见光图像记录着地物的不同属性信息,两者融合能够优势互补,弥补单一数据源信息的不足。然而由于两者成像原理不同,热红外传感器与可见光传感器对同一场景获取的图像灰度差异较大,二者图像误匹配多,融合难度大。本文在分析红外与可见光图像共有特征的基础上,提出了一种基于SIFT与ORB特征检测的匹配方法,利用SIFT算子与ORB算子同时进行特征点检测,先基于RANSAC对SIFT匹配得到的同名点进行筛选,同时结合最近邻比次近邻算法获取ORB匹配点,再利用SIFT匹配点对ORB匹配点进行距离和角度的几何约束进一步剔除误匹配,最终得到特征点分布均匀、可靠度更高的匹配结果,解决因灰度差异较大产生的匹配效果不佳的问题。利用4组红外与可见光图像进行实验,结果表明,本文算法特征点正确匹配数量相较于SIFT分别提高了约3.7倍、3.2倍、3.6倍、3倍,大幅地提高了红外与可见光图像的匹配数量,为两者间的匹配提供了一种有效的方法。     

Correction of stray light and filter scratch blurring for ASTER imagery

Stray light components in images obtained by the shortwave infrared (SWIR) and visible near-infrared (VNIR) radiometers of the Advanced Spaceborne Thermal Emission Reflection Radiometer (ASTER) were investigated. A simple method, which is equivalent to the van Cittert method of deconvolution, was used for correction. The stray light components were estimated using the image obtained during lunar observation, and the improvement in image quality was examined after stray light correction. The calculation is performed in the space domain, and application to the filter scratch problem of the ASTER/SWIR sensor, which has a scratch on the interference filter resulting in partially degenerated images, is also demonstrated.     

三线结构光视觉传感器现场标定方法

三线结构光视觉传感器由于获取信息量大、测量速度快等特点被广泛应用于工业现场测量。为了实现传感器高精度、快速的现场标定,提出了一种基于支持向量机的三线结构光视觉传感器标定方法。首先,设计标定靶标;其次,采集靶标图像后提取特征点亚像素坐标值;再次,基于支持向量机方法建立特征点的图像坐标和三维空间坐标的映射模型;最后,将待标定点图像坐标输入映射模型,即可得到三维空间坐标,实现对三线结构光视觉传感器的直接标定。实验验证,Y轴、Z轴方向上的测量绝对误差均值分别为0.021 1 mm和0.015 0 mm,具有较高的标定精度,且该标定方法标定过程简单、快速,适合现场标定。     

多孔径压缩编码超分辨率大视场成像方法

多孔径成像是一种融合了仿生复眼视觉的新型成像方法,具有小型化、大视场、高分辨率等多种优势,但由于每个子孔径对应的单元图像分辨率过低,导致其成像质量和视场角的提升十分有限。为了进一步提高成像分辨率和探测视场,基于压缩感知理论设计随机编码模板,并紧贴子孔径放置对入射光场进行调制,通过单次曝光记录编码后的低分辨率单元图像阵列,利用稀疏优化算法,重构所有低分辨率单元图像获得超分辨率大视场图像。理论分析和仿真实验证明了该方法的有效性。该方法不仅能兼顾大视场高分辨率成像,而且大大缩小系统等效焦距,具有薄层结构,体积小而重量轻,可为微光机电一体化系统的研制设计提供借鉴。     

基于光场相机波前传感器的气动光学效应校正研究

受气动光学效应的影响,来自目标的光波波前会产生动态扰动,导致成像模糊化。常用的校正方法是在测得波前的前提下进行解卷积处理,达到还原图像的效果。传统的波前传感器只能有效测量中心视场,由于存在非等晕问题,导致所能还原的图像区域过小。光场相机波前传感器作为一种新型波前传感器,具有视场大、动态范围大的优点,可以同时探测模糊图像不同区域的点扩散函数,从而一次性还原整幅图像。文章利用Matlab模拟了光场相机的大视场波前探测特性,对气动光学效应引起的模糊图像进行清晰化处理,并与夏克-哈特曼传感器的模拟结果进行了比较。结果表明,光场相机波前传感器可以对气动光学效应造成的波前扰动进行有效的大视场波前探测,一次探测能够清晰化整个视场的图像,且视场范围是传统波前传感器的数倍以上。     

基于表面等离子体共振成像的指纹采集

指纹识别技术是方便、可靠、非侵害和价格低廉的生物识别技术。为提高图像的质量,根据表面等离子体共振(SPR)的原理,提出采用表面等离子体共振成像(SPRI)采集指纹图像的方法。介绍了表面等离子体共振成像采集指纹图像的原理、自行组建的表面等离子体共振成像指纹采集系统的结构。采用Kretschmann型棱镜耦合结构激励表面等离子体共振,偏振的平面光经棱镜投射到传感片,发生表面等离子体共振现象。由CCD摄像机采集反射光指纹图像。分别用表面等离子体共振成像方法和传统光学方法采集了同一指纹的图像。两图中主要区域指纹脊和谷的对比度分别为0.2014和0.0516。表面等离子体共振成像方法采集的指纹图像的对比度和清晰度显著提高。     

Fiber misalignment measurement method by the reflected light fromfibers

A simple method for detecting misalignment of fiber axes is described. Bidirectional misalignment of the fiber axis is measured through images observed in one direction. The bidirectional components of fiber axis misalignment are measured using images created by reflected light from the fibers. The image observed for each fiber consists of a single bright line, a great advantage when processing images. The characteristics of the intensity distribution of reflected light from fibers determined by computer simulation and experiments are examined. Based on these results, the principle of the method for detecting optical-fiber positions is explained. It is shown that the accuracy of the axis misalignment measurement is defined as a standard deviation of 0.61 μm for a single fiber and 0.86 μm for a fiber ribbon; the accuracy of the measurement may allow further improvement by using an image sensor with higher resolution