1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
4 上海科技大学，上海 201210
红外焦平面探测器正朝着更大规模、高帧频、高集成度的方向发展。在高速目标跟踪探测、感兴趣区域成像等应用场景，需要解决高速读出时面临的功耗较高的难点。文中提出了一种数字IC的可编程开窗IP核设计，并通过采用列级分时选通技术，实现对640×512读出电路列模块的超低功耗优化。像素单元电路包含CTIA输入级、双采样保持结构和跟随输出，折衷优化了面积、噪声和增益等因素。相较于传统用门级电路定制设计实现的开窗方式，可编程开窗数字IP核对于不同面阵规格具有良好的可扩展性，并且可以借助后端软件综合优化版图布局，从而缩短设计周期。实际研制中采用0.18 µm 标准CMOS工艺完成了中心距15 µm的640×512读出电路设计及流片验证，并与640×512元短波红外InGaAs探测器芯片进行了耦合测试，结果表明分时选通技术有效降低了列级电路功耗，电路读出总功耗小于80 mW，列级功耗仅为15 mW，读出速率达到15 MHz，可编程开窗IP核功能正常，可以实现指定区域的开窗功能。
可编程随机开窗 分时选通技术 读出电路 铟镓砷 短波红外 programmable arbitrary windowing time-selection technology ROIC InGaAs short-wave infrared 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230241
陶文刚 1,2,3,4汪鸿祎 1,2,3陆逸凡 1,2,3景松 1,2[ ... ]方家熊 1,2,*
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 上海科技大学, 上海 200083
片上集成数字化是红外焦平面的主要发展方向之一, 其关键技术是在读出电路内部集成模数转换(ADC)模块。针对线列InGaAs焦平面的数字化需求, 采用了一种基于非二进制的冗余位 SAR ADC设计方案。整个读出电路包括读出电路单元和模数转换单元。读出电路单元采用的是电容跨阻放大器(CTIA)结构, 其结构线性度好, 注入效率高; 模数转换单元采用的是SAR ADC, 其结构简单, 功耗低。文章采用非二进制校准的方法对CDAC模块进行设计, 通过在电容阵列中插入冗余位来提高ADC的转换速度和精度, 并使用下极板采样技术来提高采样精度。在0.18μm CMOS工艺模型下, 完成了14bit的SAR ADC的设计。仿真结果表明: 在采样率为1MS/s条件下, SAR ADC的信噪比(SNR)为74dB, 有效位数为13.4bits。
读出电路 数字化 逐次逼近 短波红外焦平面 readout circuit digitization successive-approximation short-wave IRFPA
1 山东大学 a.光学高等研究中心
2 b.信息科学与工程学院，山东青岛 266237
3 山东大学 b.信息科学与工程学院，山东青岛 266237
4 中国科学院 a.上海技术物理研究所，上海 200083
5 b.上海微系统与信息技术研究所，上海 200050
为了增强短波红外成像仪的成像对比度，提高目标的识别率，介绍了一种基于现场可编程门阵列 (FPGA)的灰度拉伸算法的实现方法。利用视频数据两帧之间灰度分布近似的特性，通过统计上一帧图像的灰度分布，计算图像拉伸所需要的参数，处理当前帧的图像，达到实时处理的效果。在灰度统计模块中，利用 FPGA的片上块随机存储器 (Block RAM)资源，采用非倍频的流水线数字逻辑设计，避免了跨时钟域的操作，降低了系统状态机的复杂度，提高了系统的工作频率。采用国产 320×256元 InGaAs面阵探测器，搭载了 Xilinx Artix-7系列芯片的实验平台进行实验，仿真结果表明,该方法能有效提高短波红外图像的对比度，具有占用资源少、运算速度快、成本低、可移植性高等优点，满足短波红外成像仪实时灰度拉伸处理的设计要求。
灰度统计 灰度拉伸 现场可编程门阵列 块随机存储器 grayscale statistics grayscale stretching Field Programmable Gate Array Block RAM 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(7): 713
张思韬 1,2,3,4汪鸿祎 1,2,3王绪泉 1,2,3黄松垒 1,2方家熊 1,2,*
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
针对短波红外焦平面的大动态范围需求, 设计了一种像素级脉冲频率调制(PFM)模数转换器(ADC)。传统PFM ADC采用DI输入级, 进行弱信号探测时, 注入效率会下降, 造成动态范围的损失。设计的PFM ADC采用CTIA输入级, 弱信号探测时仍能维持高注入效率; 同时采用两档增益和增益自选择技术, 使得每个像素都能够根据输入的光电流自动选择增益, 在提升动态范围的同时, 不增加额外的功耗。在0.18μm CMOS工艺模型下, 仿真结果表明该电路的动态范围达到100.1dB, 单元ADC功耗小于10.54μW, 并且基于所设计的改进型PFM ADC设计了规模为32×32、中心距为50μm的像素级数字化读出电路。
短波红外焦平面 大动态范围 脉冲频率调制 增益自选择 两档增益 short-wave IRFPA wide dynamic range PFM CTIA CTIA self-selected gain technology two levels of gain
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室, 上海 200083
3 上海科技大学, 上海 201210
4 中国科学院大学, 北京 100049
5 黄山海关茶叶质量安全研究中心, 安徽 黄山 245000
采用近红外光谱技术结合反向传播人工神经网络算法建立了茶叶中蔗糖含量的检测模型, 并通过引入遗传算法改进了模型预测质量。预测模型采用120个茶叶掺蔗糖样品的傅里叶变换漫反射光谱数据建立。对另外42个样品的预测结果表明, 基于传统的反向传播人工神经网络算法模型的相关系数为0.7380, 预测均方根误差为3.0754, 正确识别率为83.3%; 增加遗传算法后相关系数提高到0.9419, 预测均方根误差为1.3176, 正确率为88.1%, 训练误差减小一个量级以上。实验结果表明, 反向传播人工神经网络模型可用来检测茶叶中的蔗糖含量, 同时, 引入遗传算法优化了神经网络的初始权值和阈值, 使预测误差更小。
近红外光谱技术 BP神经网络 遗传算法 茶叶 蔗糖量 near-infrared spectroscopy BP neural network genetic algorithm tea sucrose content
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景，InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度，通过计量光子飞行时间实现距离探测，时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度，是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路（Time to Digital Converter, TDC），采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享，基于压控延迟链（Voltage Control Delay Line, VCDL）分相时钟实现亚纳秒计时；中高段位每个像素独享，中段位采用分频计数器降低时钟频率，降低阵列整体功耗，高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 µm CMOS工艺流片，实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns，积分非线性−0.4~0.6 LSB，微分非线性−0.4~0.4 LSB，TDC转换单调，有效量程位数13位，20 kHz帧频功耗380.5 mW。
时间数字转换 时间分辨率 低误码 单光子探测 盖革雪崩焦平面 time-to-digital converter time resolution low error code single photon detection Geiger avalanche focal plane 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210009
1 山东大学激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266237
2 山东大学光学高等研究中心, 山东 青岛 266237
3 山东大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266237
4 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
基于非线性频率上转换的太赫兹波探测技术具有灵敏度高、响应速度快、可室温操作等优点,现有理论研究中仅考虑了差频转换或和频转换,而这与实验中观察到的二者共存的物理现实并不一致。本文提出了在非线性频率转换过程中差频与和频共存时的理论方程,并以DAST晶体为例模拟分析了不同晶体厚度及泵浦强度下的太赫兹波探测情况。理论计算表明:和频、差频共存下各波变化趋势与单差频或单和频情况有所不同;和频过程的存在会降低差频过程的效率,若只考虑差频,则结果将有所偏差。在特定实验条件下,同时利用差频光与和频光,总信号输出强度更大,其探测效率高于单差频的情况;存在一个最佳的晶体厚度,使得总信号输出最强。进一步计算表明,基于非线性频率上转换的太赫兹单光子探测有可能实现。
非线性光学 上转换 差频与和频共存 太赫兹波探测 单光子探测 中国激光
2021, 48(12): 1214001
1 中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室, 上海 200083
2 山东大学光学高等研究中心, 山东 青岛 266237
3 中国科学院大学, 北京 100049
通过在感知层中加入定制化的微型光谱感知节点,近红外(NIR)光谱传感物联网(IoT)实现了NIR光谱分析技术和IoT技术的集成应用,进而可以满足IoT感知层中对物质成分传感的应用需求。近年来,中国科学院上海技术物理研究所依托成熟的InGaAs焦平面探测器技术,与山东大学联合,在NIR光谱传感IoT的研究和应用上取得了良好进展。首先,介绍了NIR光谱传感IoT的系统架构和关键技术。接着,为了实现光谱感知节点的微型化设计,重点介绍了集成多通道滤光片和集成线性渐变滤光片的两种微型光谱组件结构及其波长定标方法,并结合制备工艺对光谱组件的性能展开对比和分析。最后,基于集成式光谱组件,进一步介绍了NIR光谱感知节点、云服务器和手机客户端的研究应用情况,并对NIR光谱传感IoT的未来发展进行展望。
近红外光谱学 焦平面探测器 铟镓砷 线性渐变滤光片 物联网 中国激光
2021, 48(12): 1210001
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海00083
3 中国科学院大学， 北京100049
提出针对线性渐变滤光片型近红外光谱组件的时空域性能改善方法，并通过研制微型化512×2元InGaAs光谱组件，结合多帧数据融合算法完成了实验验证。光谱通道采用基于多次测量的两列相邻光敏元动态组合实现，相比单个大光敏元作为光谱通道，可以改善探测器盲元引起的不良影响。波长标定和测试结果表明，该光谱组件在线性渐变滤光片的分辨率限制下，可以有效减小相邻光谱通道间的波长间隔。
铟镓砷 光谱组件 线性渐变滤光片 波长标定 近红外 InGaAs Spectral sensor Linear variable filter Wavelength calibration Near-infrared
