摘要：成功设计了一款天文应用的640×512短波红外焦平面读出电路。由于红外天文观测具有极低背景辐射、光子通量低的特点,为了实现探测器的高信噪比,需要降低器件的暗电流和电路噪声。电路采用有效的功耗管理策略,在保证电路正常工作的前提下尽可能地降低电路功耗以减小电路辉光对器件暗电流的影响。同时,研究非破坏性读出的数字功能,实现了超长的积分时间和信号的多帧累积,并作为一种斜坡采样的策略有效地降低读出噪声。短波HgCdTe焦平面的测试结果符合理论设计预期,开启电路非破坏性读出功能,设置6 000 s的积分时间,当电路功耗调低至14.04 mW时暗电流为0.9 e-·pixel^(-1)·s^(-1)。读出噪声在两档增益下分别为50 e-(10 fF)和27 e-(5 fF),非线性度低于0.1%。

摘要：偏振集成探测器具有体积小、重量轻、结构紧凑,并且无需图像配准对动态目标同时同地同源探测与识别的优势。本文主要介绍了偏振集成光电探测器单元器件、线列焦平面、面阵焦平面的研究进展,分析了光栅结构设计与仿真、亚微米偏振光栅制备、集成与测试、偏振图像数据重构等获得高消光比偏振集成探测器的关键技术,最后介绍了偏振成像针对无人机、伪装卡车、地雷、海面舰船、面部识别、无人驾驶道路识别、海面漏油检测及医疗检测等方面的典型应用。

摘要：微透镜与探测器芯片的集成应用可以提高探测器的光能利用效率,从而提高探测器的灵敏度。针对两种InP基InGaAs单光子红外探测器,分别设计了材料为磷化镓和硅的两种方形孔径微透镜阵列。介绍了微透镜阵列结构参数的设计流程并分析了每个步骤的设计要点,利用光线追迹软件对设计的微透镜阵列结构参数进行仿真校核,确定了两种微透镜阵列符合设计要求。使用台阶仪和共聚焦显微镜对制作完成的两种微透镜阵列进行了形貌检测,计算得出两种微透镜阵列的曲率偏差分别为1.38%和3.44%。实验测试了1.064μm波长下两种微透镜阵列在空气中的焦距,与模拟结果对比,得到焦距偏差为5.69%和2.76%。通过分析微透镜的制作工艺,两种偏差符合应用需求。

摘要：天基光电探测单元具有视场角大、载重小和机动灵活的特性,在空间作业的监视任务中有重要应用,其中卫星目标的识别和形心定位是其重要功能之一。由于目前在轨载荷处理器的算力较弱,在近距离测角任务中无法使用深度神经网络算法进行复杂定位。针对这一问题,深入分析了目标的特点,依据卫星几何特性设计了一种超轻量化实时处理方法。该算法设计了直线特征和帆板边缘特征提取器,提出了一种利用特殊几何关键点计算目标最小外接矩形的策略,提升外接矩形与目标边缘的贴合度。算法在仿真数据集上进行了测试,并在物理模拟试验场采集的影像数据上进行了验证。测试结果表明,算法的检测精度优于主流深度学习目标检测网络Yolov5n,计算量仅为对比算法的10%。在嵌入式实时处理平台上移植后,实时定位速度可达到5 120×5 120@5 fps。在验证环境下,基于所提算法形心定位的结果进行测角,测角精度优于0.05°,满足应用场景的精度要求。

摘要：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。

摘要：InGaAs单光子探测器已被广泛应用于激光三维成像、长距离高速数字通信、自由空间光通信和量子通信等。针对单元、线列和小面阵器件,已发展出同轴封装、蝶形封装、插针网格阵列封装等多种封装形式。探讨了温度对InGaAs单光子器件性能的影响及组件温控方法;系统比较分析了针对光学元件如微透镜、透镜、光纤等与芯片的高精度耦合方法;针对高频信号输出,总结了引线类型、布线方式、封装结构设计等问题;展望了InGaAs单光子探测器的发展趋势。

摘要：自定义开窗通过重构图像分辨率从而提高读出帧频,是大规模红外焦平面应用中实现感兴趣区域观察及特殊区域检测的重要技术。基于半定制设计流程,本文提出了一种具有自定义开窗功能的读出电路数字模块,该模块在五个外部输入信号的控制下,实现积分时间调控、工作模式切换、任意开窗、防溢出的功能,具有易于扩展、控制简单、操作灵活的优点。针对传统译码电路产生的竞争冒险现象,提出行级脉宽可调选通信号设计及列级多端口读出的解决方案,进一步提高了电路的可靠性。仿真结果表明,整个设计能够正常实现自定义开窗功能,适用于大规模红外焦平面阵列。

摘要：设计了一款中、长波双色应用的数字化红外焦平面读出电路。由于双色红外焦平面器件在注入电流及动态输出阻抗上存在着数量级的差异,同时双波段均要求高灵敏度,因此读出电路需要在有限像元面积内实现双输入级的结构设计和大动态范围。电路采用基于直接注入型输入级的脉冲频率调制结构,设计电荷复位单元代替传统电压复位结构,可降低可探测的电荷分辨率,并改善由复位遗失电荷带来的非线性影响,同时电路设计了20bit混合结构的计数器,满足电路大电荷容量和低功耗的要求。仿真结果表明,实现的最小电荷分辨率为692e^(-),对应电荷容量为7.2×10^(8)e^(-),双波段探测线性度均高于99.8%,在中、长波典型应用情况下功耗分别为3.03,6.66μW。

摘要：针对短波红外焦平面探测器高灵敏度、大动态范围的发展需求,设计了一款新型的红外焦平面异形读出电路。传统的像元只使用一种输入级,难以兼顾高灵敏度和大动态范围,而在该设计中包含的组合像元使用了CTIA和大动态范围两种输入级,兼顾了其优点。具体布局为每2×2个CTIA输入级模块阵列中间,含有1个直接注入模式/对数模式可切换的大动态范围输入级模块。工作模式有两种,第一种为CTIA输入级模块和直接注入模式的大动态范围输入级模块同时工作;第二种为CTIA输入级模块和对数模式的大动态范围输入级模块同时工作。基于0.18μm 3.3V标准CMOS工艺,绘制了CTIA输入级阵列规模为320×256,像元中心距为15μm的异形电路像元阵列版图。仿真结果表明,异形电路像元通过小积分电容实现了高灵敏度,通过对数光响应输出实现了大动态范围。

摘要：设计了一款针对线性模式碲镉汞APD的高速成像读出电路。像元内基于三级推挽放大器级联的电阻反馈跨导放大器(RTIA),实现了光电流的实时线性转换,并利用工作于亚阈值区的MOS管作为反馈电阻实现跨阻增益可调;利用电容补偿法对RTIA的相位裕度进行优化,解决了低增益下的输出振荡现象。结果显示,像元内RTIA跨阻增益可调范围达100~140 dB,增益带宽积可达10^(14)数量级,像元电路输出延时低于1.8 ns。设计了像素外的飞行时间测量电路,采用两段式时间数字转换器分别进行飞行时间的大范围粗量化和高精度细量化,测量范围可达1530 m,测量精度为106.5 cm,线性度高于99.99%。