1 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
2 中国科学院大学，北京 100049
电阻阵作为一种动态红外景象产生器件，在红外半实物仿真领域有着重要的应用。电阻阵可实现的规模与性能与红外微辐射像素列阵的设计有着密切的关系。文中从应用系统对大规模电阻阵器件的要求出发，结合电阻阵的工作原理，提出了像素驱动电路与MEMS结构一体化的设计方案，设计了规模可拓展的高占空比像素结构。通过采用高消光系数材料以及光学谐振腔结构，微辐射元的中波红外和长波红外的表面发射率达0.7。热力学仿真表明，通过合理的薄膜厚度和结构设计，微辐射元阵列的占空比达到51%，升、降温的热响应时间均小于5 ms，0.6 mW功率驱动下应力翘曲小于300 nm，长波红外表观温度可达582 K，中波红外表观温度可达658 K。结合设计方案提出了工艺制备方案，并通过小阵列流片初步验证了设计方案的可行性。该设计研究为国产大规模、高占空比电阻阵的研制指明了方向。
电阻阵 红外仿真 微辐射元 红外表观温度 占空比 resistor array infrared simulation micro emitter infrared apparent temperature fill factor 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230028
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 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
电阻阵列的封装需求向着集成度高、大功率、深低温方向发展。为了满足130 K以下低温工作、稳态功率100 W以上的深低温应用需求，提出了一种利用液氮进行制冷的集成封装结构，并利用有限元仿真和实测验证相结合的方法验证了装置的制冷能力。结果表明，热沉钼与陶瓷电极板的厚度均为2 mm的情况下，加热功率在0.1~192.76 W区间内，有限元仿真得到的温度与实测温度最大误差小于7.67%，引起误差的主要原因是封装结构件的体热阻及界面热阻随温度发生变化而仿真时采用恒定热阻。结构能够在加热功率小于211.90 W的工况下正常工作。在设计的100 W稳定加热工况下，芯片衬底温度不高于101.9 K，热应力为5.66 MPa，满足设计要求。
有限元仿真 电阻阵列 封装结构 温度分布 finite element simulation resistor array package structure temperature distribution 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210721
1 西北工业大学 航天学院 飞行控制研究所, 陕西 西安 710072
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所, 陕西 西安 710065
MOS电阻阵目前在红外仿真领域有着广泛的应用和重要的作用。作为红外半实物仿真链路中的核心器件, 其成像效果直接关系到最终仿真结果的准确度和置信度。目前的红外仿真数字信号进入电阻阵后会产生一系列图像退化和耦合失真问题, 因此需要从MOS电阻阵的成像机理出发, 分析其成像原理及能量传递过程, 针对单个像元建立符合其自身物理特性的过程及辐射模型。通过输入信号与输出信号的函数关系来量化和验证模型的准确度和置信度。这个模型作为MOS电阻阵的基础模型对未来研究更大规模电阻阵的耦合特性、反向模型及非均匀性校正均有重要的理论基础和实际工程应用价值和意义。
MOS电阻阵 单像素模型 红外仿真 MOS resistor array single pixel model infrared simulation 红外与激光工程
2019, 48(12): 1226002
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
电阻阵列探测器规模已经达到256×256,红外景象生成器要求像素规模能够进一步提高,达到512×512及以上。空间低温动态场景模拟用512×512电阻阵探测器的极端功耗高达500 W,并且其工作温度为100 K的低温。设计了低温大功率电阻阵列的封装结构,并对该结构进行了热力学仿真分析与实验验证。电阻阵列探测器封装在内部为真空的壳体内,以液氮为循环介质的大冷量换热装置,探测器安装在换热装置的冷端上。仿真分析表明通过液氮可以实现探测器低于100 K的制冷;采用试验件对制冷性能进行了验证,验证结果表明设计可行、合理。
电阻阵列 红外场景模拟 低温制冷 大功率 resistor array infrared scene simulation cryogenic cooling high-power
1 第二炮兵工程大学精确制导与仿真实验室，陕西 西安 710025
2 中国人民解放军96111 部队，陕西 韩城 715400
电阻阵列作为红外景象投射器必须进行非均匀性校正，而校正方法的实时性又必须满足系统帧频要求。通过设计实时性评估软件，对以往耗时较长的CPU 数据处理方法进行改进，提出基于CUDA的GPU 并行数据处理方法，并应用PBO 技术做进一步优化。测试结果表明，该方法能够大幅提升数据处理速度，理想的系统实时性为后续更大规模的电阻阵列数据处理提供了时间余度。
电阻阵列 非均匀性 实时性 resistor array nonuniformity GPU GPU CUDA CUDA real-time
1 第二炮兵工程大学, 陕西 西安 710025
2 解放军 96111部队, 陕西 韩城 715400
电阻阵列的非均匀性是一种固定模式的空间噪声, 是影响红外图像质量的主要因素。测试数据的准确性对非均匀性校正效果是至关重要的, 全屏测试时辐射能量的扩散是导致测试误差的重要原因。分析了经典图像复原方法的局限性, 提出一种新的基于 PSF粗估计的迭代测试方法。分析了不同 PSF估计误差对新方法收敛速度和测试精度的影响, 评估了不同 PSF条件下的测试效果。数值仿真结果表明, 新的方法计算量更低, 收敛速度更快, 且能够适应更宽的平滑因子参数范围。新方法可有效地从退化图像中复原电阻阵列的实际非均匀性图像, 取得较好的校正效果。
电阻阵列 非均匀性测试 PSF估计 退化图像复原 resistor array non-uniformity test PSF estimation degraded image restoration
1 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
2 中国科学院大学, 北京 100039
设计了一种用于CMOS图像传感器列级模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)电路的10位斜坡发生器。详细 介绍了电路的整体结构、工作模式以及仿真结果。在电路中采用了两级转换的方式, 并设计了电阻阵 列式多路斜坡发生器。在Cadence设计平台下, 对模拟电路进行了设计、仿真和版图设计。 采用0.5 m双层多晶三层金属(Double Poly Triple Metal, DPTM) CMOS工艺对电路进行了制作。仿真结果表明, 该设计基本满足相关要求。
斜坡发生器 模数转换器 电阻阵列 ramp generator Analog-to-Digital Converter (ADC) resistor-array
中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件实验室，上海 200083
设计了一种用于研究在电阻阵像素单元中使用过驱动技术的电路结构。与 国外过驱动技术的实现方式相比，该方式采用开环控制形式，省去了系统闭环计算和查 表环节，节省了系统资源，改善了系统的实时性。该电 路结构是通过分析过驱动技术原理而设计的，能满足对电阻阵微桥电阻热响应时间t1、过驱动因子Kod和温度动态范围的研究 要求，而且符合像素单元面积的限制条件，其Kod在1～1.5的范围内是可调的。对该电路进行了仿真、版 图设计，并请华润上华公司(CSMC)用0.5m工艺进行了流片，最后用搭建的测试系统对该电路的功能进行了验证。 结果表明，该电路的过驱动因子符合设计要求。
像素单元 过驱动技术 热响应 电阻阵列 pixel unit overdrive technology thermal response resistor array
1 第二炮兵工程大学, 陕西 西安 710025
2 解放军 96111部队, 陕西 韩城 715400
电阻阵列是一种出射式红外场景投射器, 为了改善投射图像质量, 提高半实物仿真可信度, 需要对电阻阵列的非均匀性进行实时校正。对电阻阵列结构和原理的分析表明非均匀性表现为一种固定模式的空间噪声。对辐射像元响应特性的研究发现电阻阵列的输入输出呈现非线性特性, 非均匀性的本质是辐射像元间响应特性的差异。基于先验信息对辐射像元驱动数据进行补偿, 对电阻阵列的非均匀性进行校正。对辐射像元的非线性进行预处理, 降低校正对先验测试数据的要求。采用分段线性插值实现在线校正算法, 提高校正算法的实时性。数值仿真结果表明: 该方法可将电阻阵列的非均匀性降低到 1%以下, 在 128×128和 256×256像元规模下均可保证 200 Hz的处理速度。基本满足红外成像半实物仿真对图像质量和帧频的要求。
电阻阵列 红外景象投射器 红外成像 半实物仿真 resistor array IR scene projector infrared image hardware-in-the-loop simulation
针对基于电阻阵拼接的红外场景方法进行研究,先利用边缘融合进行图像拼接处理，得到一幅在重合部分存在亮度偏大的图像。对重叠部分每个像素的亮度进行加权处理，在此基础上进行各像素点的亮度叠加。使重合部分的像素点的亮度能够与非重叠部分较好融合过渡。电阻阵列的非均匀性问题也会使得拼接效果大打折扣，利用分段线性化的方法进行灰度非均匀性处理，得到最终的拼接效果图。经仿真验证，该方法简单快速,有效地校正了图像灰度非均匀性,并且能在保持图像清晰度的前提下，消除拼接缝，提高拼接图像的质量。
电阻阵列 图像拼接 亮度融合 非均匀性校正 resistor array mosaic luminance fusion nonuniformity correction
