介绍了一种具有2×2像元合并功能的红外读出电路(10 m中心间距)。该电路兼具高分辨率和高帧频的特点，可以满足远距离搜索和近距离跟踪识别两种应用模式下的需求。像元合并前，读出电路的阵列规格为1280×1024，像元中心距为10 m，空间分辨率高，可用于近距离跟踪识别模式。像元合并后，阵列规格变为640×512，像元中心距变为20 m，灵敏度高，可用于远距离搜索模式。此外，这种电路采用串口输入控制方式，具有积分后读出(Integrate Then Read，ITR)/积分同时读出(Integrate While Read, IWR)工作模式切换、4/8通道可选、翻转和功耗控制等功能。本电路采用GF 018 m工艺进行设计。仿真结果表明，在像元合并后，读出电路可达到的最大帧频变为原来的2倍。
读出电路 像元合并 高分辨率 高帧频 circuit pixel binning high resolution high frame rate0
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所，陕西西安709
2 中国科学院大学，北京100049
为了近距离清晰拍摄某高速运动目标的碰撞过程，研究了一种高帧频摄像系统。由于摄像系统的前端可能遭受碰撞碎片的损坏，研究了一种保护窗组件。针对成像单元的FPGA在极端高温+70 ℃时温度过高的问题，研究了一种导热装置。采用七组成像单元在顺序脉冲的控制下接续拍摄的方法，实现了5万帧/秒的高帧频成像。保护窗组件采用了三组保护窗玻璃自动移动更换且可自锁的形式，采用蜗轮蜗杆传动机构实现了大传动比驱动和自锁功能，采用霍尔传感器对保护窗的位置进行实时反馈。导热装置中间部分采用了柔性的高热导率石墨板，既有效地将FPGA的热量传导至主壳体上，又解决了装调节环节中刚性导热装置的过定位问题。对装配好的高帧频摄像系统进行了相关的力、热实验。实验结果表明，保护窗组件自锁和移动切换功能正常，高帧频摄像工作正常，实测拍摄帧频为50 050 帧/秒，满足近距离清晰拍摄某高速运动目标碰撞过程的要求，具备一定的防护能力和热环境适应能力。
摄像系统 高帧频 保护窗 蜗轮蜗杆 热设计 石墨膜 video camera high frame rate protective window worm gear and worm thermal design Graphite film
华中光电技术研究所- 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
高帧频中波制冷红外探测器在机载光电吊舱、红外警戒系统、光电跟踪瞄准系统中有着广泛应用。传统的碲镉汞中波制冷红外探测器在保证成像质量前提下, 受积分时间限制, 帧频一般受限于25~100 Hz。而锑化铟中波红外探测器具备较好的非均匀性、较低的盲元率以及高帧频输出特性, 可进一步提高红外系统作用距离和跟踪精度。基于中波红外锑化铟探测器设计了高速稳定的图像采集系统, 实现了640×512分辨率数字视频200 Hz的图像输出。高帧频模式下, 解决了探测器积分时间与读出时间信号串扰的问题, 有效改善了红外图像的非均匀性。该系统通过探测器开窗设置, 将帧频进一步提高, 可实现对高速目标的红外探测、搜索、识别、侦察、情报搜集、跟踪等。
锑化铟 碲镉汞 红外探测器 高帧频 现场可编程门阵列 InSb HgCdTe infrared detector high frame rate FPGA
高帧频CMOS图像传感器具有集成度高、帧频高、功耗低、抗干扰抗辐照能力强等特性，在科学实验中应用广泛。为提高外同步触发瞬态成像模式下的成像性能，首先介绍了基于高帧频CIS(5T像素，超大快门)的瞬态成像系统构成及其工作模式；从像素结构出发，对该款CIS在不同工作模式下的成像性能进行了理论分析；搭建了基于EMVA1288的标准化测试平台，对瞬态工作模式下的多项关键性能指标进行了测试，并与稳态工作模式下的性能进行了对比。分析结果表明：与稳态工作模式相比，瞬态成像模式下图像传感器具有更大的暗本底和固定模式噪声，但传感器的时序噪声、光响应非均匀性优于稳态工作模式，具有更高的信噪比和动态范围，与理论分析基本吻合。测试分析结果可用于指导科学成像系统设计与性能优化。
高帧频CMOS图像传感器 瞬态成像 性能分析 响应非均匀性 high-speed CMOS image sensor transient imaging performance analysis PRNU 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210694
1 中国科学院上海技术物理研究所， 上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院， 上海 200120
作为常用显示器件，数字微镜器件(DMD)使用传统的脉冲宽度调制(PWM)显示方法受最小脉冲宽度限制，无法满足高帧频显示的需求。文章提出基于光源与DMD复合编码的高帧频显示技术，利用光源调制解决脉冲宽度调制导致的位平面显示时间随位平面等级指数增长的问题。通过构建包含驱动模块、光源和DMD的显示系统，采用低4位光源脉冲宽度调制与高4位DMD显示时间宽度调制相结合的方法，将8位灰度图像的显示帧频提高至2461Hz。
数字微镜器件 高帧频 复合编码 光源调制 脉冲宽度调制 digital micromirror device high frame frequency composite coding illuminant modulation pulse width modulation
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
本文针对大规模高帧频读出电路的数字信号输出建立了高速数据传输模型。首先由集**数模型得到传输电路 3 dB带宽及响应时间常数与各器件参数之间的关系，指明了输出级 MOS管的尺寸及传输线负载是决定高速时域响应特性的关键参数。进一步采用分布参数模型，利用 Elmore延时模型更精确地确定了响应时间常数的数学解析式，获得了可使带宽最大化的输出级尺寸的最优设计。仿真结果表明，在典型的 64×64面阵功耗和面积约束条件下，优化后传输门和复合逻辑门两种三态传输电路的输出 3 dB带宽分别可达 293 MHz和 395 MHz。
大规模高帧频读出 数据传输模型 Elmore延时模型 large-format high-frame-rate readout integrated ci
高帧频红外焦平面探测器在红外**系统、光谱成像和高速测温中有着重要应用。目前,我国高帧频红外焦平面技术还比较落后,这严重制约着我国高端红外**装备、光谱成像技术、高速测温仪器的发展。针对高帧频红外成像应用,设计并流片加工了一款384×288面阵、像元间距为25 μm的数字读出电路,与长波HgCdTe红外探测器芯片进行倒装互连,形成混合探测器芯片,并封装于金属真空杜瓦中,再配置斯特林制冷机,成功研制出了高帧频384×288长波数字红外探测器组件。经测试,所研制器件最高帧频达到1012 Hz,噪声等效温差(NETD)为16.8 mK,动态范围达到95.2 dB。采用所研制器件成功捕捉到了打火机点火瞬间的红外图像,该图像清晰呈现了火焰产生、迸出的过程,获得了良好的成像效果。
探测器 红外探测器 读出电路 数字像素 高帧频红外成像 高动态范围 光学学报
2021, 41(20): 2036001
设计制作了一款具有开窗功能的行间转移CCD, 其阵列规模为640×480元, 像素尺寸为7.4μm×7.4μm, 可在4种窗口分辨率, 即640×480元、228×480元、640×164元和228×164元下开窗工作, 具备单、双通道输出信号功能, 当器件窗口分辨率为228×164元、以双输出通道模式工作时, 帧频能够达到500f/s, 可以应用于高速目标识别领域。
开窗功能 高帧频 行间转移 电荷耦合器件 图像传感器 open window ability high frame interline transfer CCD imaging sensor
1 中国科学院 国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京100049
3 中国科学院 上海技术物理研究所 中国科学院智能红外感知重点实验室, 上海 200083
4 中国科学院 光学天文重点实验室, 北京 100101
针对近地小天体监测和预警中极低信噪比运动目标难以检测的问题, 提出了基于涨落分析的暗弱运动目标关联检测方法, 阐述了在时间区间上基于光场涨落分析的关联特征提取方法的原理。强背景信号的涨落在时间维度上具有稳定分布和稳定变化的特点, 利用由目标运动导致的瞬态涨落在时间维度上分布的异常变化反演出暗弱运动目标的存在。首先将目标检测问题建模为基于单个像元灰度时序序列的一维信号检测问题, 然后在时域上划分时间窗口, 采用基于涨落分析的方法来提取关联特征, 最后由关联特征的变化来检测目标信号。将该关联检测方法应用到一维时序信号仿真实验、暗弱运动目标仿真实验和近地小行星检测实验中, 结果表明本文所提出方法的检测率和虚警率都显著优于其它几种经典常用方法, 在仿真数据和真实数据中都有很好的检测效果。
图像序列 涨落分析 高帧频 暗弱运动目标 近地小行星 image sequence fluctuation analysis high frame rate dim moving target near earth asteroids 光学 精密工程
2020, 28(11): 2517
1 中国电子科技集团公司第十一研究所， 北京 100016
2 重庆光电技术研究所， 重庆 400060
3 天津大学 微电子学院， 天津 300072
针对高帧频、全局曝光、通道数可选等成像应用需求，提出了一种高光谱成像用CMOS图像传感器，重点分析了8T像素结构和读出电路的设计方案与电路原理，完成了芯片的整体仿真和流片验证。结果表明：设计符合预期，成像效果良好，像素具备较高的满阱和全局快门功能，读出电路实现了输出通道数可选功能，同时保证了模拟信号在大面阵、低输出通道数条件下的高速、低噪声输出，最终实现的像素阵列为2048×256，像素尺寸为24μm×24μm，单通道最大输出频率为40×106pixel/s，最高帧频为4000f/s，可满足高光谱成像系统对图像传感器的需求。
CMOS图像传感器 高光谱成像 全局快门 高帧频 CMOS image sensor hyperspectral imaging global shutter high frame rate
