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
读出电路开窗是红外焦平面和图像传感器读出电路中，用于提高图像帧频降低带宽的重要技术。该技术通过减小读出阵列的窗口尺寸，降低电路读出的数据量，从而提高帧频。介绍了两类主要的开窗模式：异步读出模式和同步读出模式。针对异步读出模式扩展性差、存在竞争冒险的问题，以及同步读出模式占用像元面积和窗口切换速度慢的问题，基于同步读出提出了一种行列控制字架构，并设计了一种用于该架构的可重复单元电路，提高了对不同面阵规格的扩展性。完成了所提出的开窗电路设计和版图设计，并对该电路进行了仿真验证。对比其他方案，文中设计实现了任意位置、最小1×1尺寸的开窗，同时解决了占用像元面积和竞争冒险问题，并提高了窗口切换速度。
红外焦平面 读出电路 开窗 infrared FPA readout integrated circuit region of interest(ROI) 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220100
1 中国科学院智能红外感知重点实验室，中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
红外运动目标的轨迹预测在车辆、行人监控和天基遥感探测等军民用领域有着广泛的应用。当目标的相对运动速度较高时，受读出速率及积分时间固定的影响，传统全视场成像信息获取方法所得的目标轨迹点稀疏，难以满足目标轨迹预测的精度要求。针对以上问题，提出了一种基于动态开窗的快速运动目标信息获取方法。首先对观测区域进行全视场成像，捕获到运动目标后，对目标及其邻域开窗以提高成像帧频。通过分析探测场景辐射特性对系统工作参数的影响获取判别矩阵，实现开窗参数的动态调节，从而提升目标轨迹点密度。最后利用目标轨迹预测结果更新开窗位置以实现对单目标的全视场覆盖监测。实验结果表明，对于中波红外演示系统，与全视场成像信息获取方法相比，该方法将系统获取的目标轨迹点密度提高了16倍，系统轨迹预测精度提升了2.6倍，且所需的数据传输带宽降低了25%。该研究可为智能化红外感知系统的设计提供有益参考。
红外探测 动态开窗 快速运动目标 轨迹预测 infrared detection dynamic windowing(DW) fast moving targets trajectory prediction 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210164
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 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术国家重点实验室, 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 20008
3 中国科学院大学 研究生院, 北京 100049
大面阵焦平面成像探测器需要具有随机开窗和反转读出功能, 同时需要降低功耗。文章基于标准数字电路设计流程。设计了一种新型的基于格雷码编码规律的寻址计数器, 用于对阵列的行地址和列地址进行寻址, 提高了寻址的可靠性。对设计进行RTL级仿真, 结果表明该设计能够实现任意开窗和反转读出功能。采用TSMC90工艺库对1024×1024阵列规模的RTL级设计进行分析计算, 结果显示供电电压为3.3V时, 寻址计数器功耗仅为19.56μW,整体设计功耗仅为58.75μW, 适用于大面阵焦平面读出电路的设计。
格雷码 任意开窗 反转读出 读出电路 Gray code dynamic windowing readout dynamic image transposition ROIC
1 中国科学院上海技术物理研究所， 上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室， 上海 200083
3 中国科学院大学， 北京 100049
为了实现高灵敏度紫外探测，基于600×500元紫外电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD) 图像传感器，创新性地运用软件开窗技术设计了一种基于数字时间延迟积分(Time Delay Integration, TDI)的 紫外成像系统。具体分析了成像系统的噪声来源以及TDI阶数M对成像系统信噪比的影响，并从理论上分析了 采用M阶数字TDI技术对成像系统信噪比的影响。然后详细介绍了在FPGA内部实现数字TDI算法的情况，并给 出了数据采集系统中的上位机交互流程。实验结果表明，基于数字TDI技术的紫外成像系统可以获得较 高的图像对比度和信噪比以及优良的成像质量。
紫外成像系统 数字TDI 信噪比 软件开窗 UV imaging system digital TDI SNR software windowing
介绍了640×512电容反馈跨阻放大器(CTIA)型焦平面读出电路的设计, 包含模拟电路与数字模块设计。分析了CTIA采样单元的设计, 折中优化了采样单元的面积、噪声、增益等因素, 同时优化了采样单元控制电路, 最大限度地提高了对采样单元阵列的驱动能力; 数字控制部分着重分析了对行选、列选、翻转读出、随机开窗、隔行扫描、多路选择输出等功能的实现方式。设计基于0.5μm DPTM工艺进行仿真验证, 采样单元面积为25μm×25μm, 工作频率为5MHz, 芯片面积为18.1mm×17.4mm, 输出摆幅大于2.5V, 动态范围大于70dB。
焦平面 读出电路 电容反馈跨阻放大器 隔行扫描 随机开窗 focal plane readout circuit CTIA interlaced scanning random window
1 重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065
2 重庆光电技术研究所，重庆 400065
介绍了一种实现CMOS读出电路的随机开窗口的方法。该方法采用译码器的方式实现，与传统的移位寄存器实现读出电路随机开窗相比，该方法的优点是电路结构简单、版图占用芯片面积小、功耗低，以及操作灵活。主要介绍了采用译码器实现随机开窗的原理和电路设计，并给出了相应的仿真波形。
随机开窗 CMOS读出电路 译码器 arbitrary windowing CMOS readout circuit decoder
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Laser and Optoelectronics Technology, Fujian Provincial Key Laboratory for Photonics Technology, Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine of Ministry of Education, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
2 Department of Otolaryngology, Fujian Provincial Hospital, Fuzhou 350001, China
3 Provincial Clinical College of Fujian Medical University, Fuzhou 350001, China
The feasibility of fenestration operation in middle ear bone with pulsed infrared laser is evaluated. Healthy male New Zealand rabbits in vivo are used in the experiment. Middle ear mastoid bone of animal model is completely exposed with conventional methods, and then a pulsed CO<sub>2</sub> laser (10.6 \mu m) and an Er:YAG laser (2.94 \mu m) are used to perform the fenestration operation. Diamond drill is also used as a control group. The total operation time and light irradiation time are recorded and the opening efficiency is assessed. The morphological changes and thermal damage around the opening window on the middle ear bone are examined. It is shown that both laser systems are suitable for the fenestration operation in middle ear bone, and this no-touch technique has a lot of benefits compared with traditional methods. The bleeding during operation has an important effect on operation time and thermal injury and needs to be controlled efficiently in further study.
激光消融技术 骨组织 开窗手术 中耳骨 170.1020 Ablation of tissue 170.4940 Otolaryngology 170.1610 Clinical applications Chinese Optics Letters
2009, 7(9): 830
中山大学,智能交通研究中心,广东,广州,510275
针对视频车流量检测容易受车辆阴影和车辆变道影响的问题,笔者提出了一种基于边缘信息的背景差车流量检测方法.该方法利用边缘信息作为车辆的检测特征,实时自动提取和更新背景边缘并采用动态开窗的方式来进行车辆计数.实验结果表明,与传统背景差法相比,该方法受车辆阴影和车辆变道影响较小,检测准确率达97.3%,是一种实用有效的车流量检测方法.
车流量检测 边缘检测 背景更新 动态开窗
