大连理工大学 微电子学院, 辽宁 大连 116024
针对图像传感器中传统列级模数转换器(ADC)难以实现高帧频的问题, 提出了一种由逐次逼近寄存器型(SAR)ADC和单斜坡型(SS)ADC组成的混合型高速列级ADC, 使转换周期相较于传统的SS ADC缩短约97%; 利用SAR ADC的电容实现像素的相关双采样(CDS), 在模拟域做差, 使CDS的量化时间缩短至一个转换周期, 进一步提高了ADC的量化速度; 为了保证列级ADC的线性度, 提出了一种1bit冗余算法, 可实现+0.13/-0.12 LSB的微分非线性和+0.18/-0.93 LSB的积分非线性。基于180nm CMOS工艺的仿真结果表明, 该列级ADC在50MHz时钟下, 转换周期仅为1μs, 无杂散动态范围为73.50dB, 信噪失真比为66.65dB, 有效位数为10.78bit。
大连理工大学 微电子学院, 辽宁 大连 116000
针对CMOS图像传感器高精度和低功耗的需求, 设计了一种14位列级模数转换器(ADC)。在传统斜坡式模数转换器(RAMP ADC)架构基础上, 采用了3位逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)与11位RAMP ADC相结合的两步式结构, 有效缩短了量化时间。RAMP ADC部分采用高低时钟的计数方法, 可显著降低计数区间内的功耗。同时, 提出了RAMP-SAR-RAMP切换的相关双采样逻辑, 可进一步减少静态随机存取存储器(SRAM)数量, 从而缩小版图面积。采用0.18μm标准CMOS工艺进行仿真, 结果表明: 在600MHz时钟、单沿计数的工作模式下, ADC量化时间为9.32μs, 在1.8V数字电源电压下, 计数区间内功耗均值为8.51μW。
两步式 高精度 量化时间 CMOS图像传感器 SAR/RAMP ADC SAR/RAMP ADC two-step high resolution quantization time CMOS image sensor
大连理工大学 微电子学院, 辽宁 大连 116600
钳位电压(Vpin)是影响 CMOS 图像传感器(CIS)中钳位光电二极管(PPD)电荷转移效率和满阱电荷容量的关键物理量。在辐照条件下, Vpin受辐射总剂量(TID)增加而升高, 因此研究其机理对抗辐照CIS的设计有重要意义。文章利用TCAD仿真软件分析了CIS器件的电学特性, 研究了Vpin受TID影响的机理。结果表明, 当辐照引起的氧化物陷阱电荷浓度达到3×1016cm-3时, 浅沟槽隔离(STI)附近的耗尽区将PPD中的pin层与地极电学隔离, 从而导致pin层电势易受到传输晶体管TG沟道电势影响而增加, 使得相同电子注入条件下PPD可存储的电子增多, 复位所需电压增大, 导致Vpin随着辐射总剂量增加而增大。
钳位电压 总剂量效应 CMOS图像传感器 pinning voltage TID CIS TCAD TCAD
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长光辰芯光电技术有限公司, 长春 130033
4 大连理工大学 微电子学院, 大连 116600
时间延时积分CMOS图像传感器(TDI-CIS)具有优良的微光探测能力, 可应用于航空探测及卫星遥感等领域。然而, 在入射光强较强时, TDI-CIS容易出现光晕(Blooming)现象, 影响观测效果。首先分析了光晕产生的机理; 然后基于两种传统的抗晕结构, 设计出一种具有沿垂直方向布局的长方形横向抗晕栅的TDI-CIS; 通过成像实验发现横向抗晕栅极电压与抗晕效果及满阱容量(FWC)之间呈负相关关系; 最后通过实验得到所设计TDI-CIS的最优抗晕栅极电压值为2.1V。
时间延时积分 光晕 横向抗晕栅 满阱容量 TDI CMOS CMOS blooming lateral anti-blooming gate FWC
哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
提出了一种基于线性调频激光器的外差测距实验理论，设计了一个较为具体的测距方案，利用延时光纤将两束特性相同、但进行了延时的线性调频激光进行混频，测出其拍频后的频率值，进而得到其中包含的频率信息，并用Matlab-Simulink仿真对此方案进行了仿真测试和实际光纤延时验证，通过模拟线性调频信号和线性调频外差测距的实验过程，分别对300、600、900 m处的线性调频激光回波信号和本振信号进行外差拍频，得到相应的拍频值，其结果与理论计算结果基本吻合。
连续线性调频激光器 外差 测距 Matlab-Simulink仿真 linear frequency modulated continuous laser heterodynes distance measurement Matlab-Simulink simulation
哈尔滨工业大学光电子技术研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001
分析了激光成像雷达系统中的微机电系统(MEMS)振镜的振动特性，对影响MEMS振动角度的关键因素：频率和驱动电压对振动角度的影响进行了实验测量。研究结果表明，选择60~200 Hz要求的扫描频率、60 V以上的驱动电压可以实现角度相对较大、同时又能满足系统64~256 s-1分辨率要求。
成像系统 激光成像雷达 微机电系统 频率 角度 光学学报
2014, 34(s1): s111004
哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150001
提出了一种多光束激光外差测量磁致伸缩系数的方法。基于激光外差技术和多普勒效应，把待测参数信息加载到外差信号的频率差中，通过对外差信号作快速傅里叶变换(FFT)解调后可以同时得到多个待测参数值，对待测参数加权平均处理最终可以提高待测参数的测量精度。利用Matlab仿真模拟了不同电流条件下待测样品的磁致伸缩系数，结果表明相对误差仅为0.48%。
测量 磁致伸缩系数 激光外差 多普勒效应 多光束干涉 中国激光
2012, 39(s1): s108005
1 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150001
2 天津津航技术物理研究所天津市薄膜光学重点实验室， 天津 300192
透射式激光外差干涉系统能精确测量待测物的内部折射率分布和厚度信息。设计了应用于干涉系统中的混合光学扫描结构，它由微机电系统(MEMS)振镜和f-θ透镜系统组成。f-θ透镜组由3片不同材料的透镜构成，透镜系统对2 μm激光波长有约40%的透射率，可扫描300 mm2的范围。 利用Zemax软件从衍射光斑、畸变系数、光束发散角3个方面对f-θ透镜模型进行了优化设计。优化结果表明，f-θ透镜出射扫描光束垂直于待测物体表面，系统焦距为434 mm，畸变像差小于0.5%。最后给出了f-θ透镜的设计实物图，并通过He-Ne激光给出了扫描结果示意图，达到了预期的设计指标。
光学设计 外差干涉仪 f-θ透镜 扫描系统 畸变系数 中国激光
2011, 38(12): 1216002
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150001
给出了平衡式相干探测系统的一般信噪比数学模型，对该数学模型和普通单源相干探测系统的信噪比模型进行了数值仿真对比研究。仿真结果表明，当平衡式相干探测系统中的光电探测器理想匹配时，其系统的信噪比以分束比系数等于0.5呈对称分布；而当光电探测器失配时，系统的最大信噪比所对应的最佳光束分束比发生偏离。最后搭建了2 μm平衡式相干探测实验系统，实验结果表明，在相同的输入光功率下，平衡式相干探测系统的最大信噪比比普通单源相干探测系统的信噪比高19 dB；平衡式相干探测系统的信噪比趋于饱和的范围比普通相干探测系统趋于饱和的范围宽大约0.2。
光学测量 平衡式相干探测 光束分束比 量子效率 散粒噪声 光学学报
2011, 31(11): 1104002
