1 中国科学院新疆理化技术研究所, 新疆乌鲁木齐 830011
2 中国科学院大学, 北京 100049
电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器, 在空间应用环境下受辐射效应作用导致 CCD性能退化甚至失效。对于 CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究, 辐照试验中 CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于 CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感, 因此针对 CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁, 开展不同辐照偏置下 CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟 CCD器件, 开展不同偏置条件下的 γ射线和质子辐照试验, 获得了 CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应, 位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对 CCD辐射效应的影响机制。研究表明, γ射线辐照下 CCD的偏置产生重要影响, 质子辐照下没有明显的偏置效应。根据 CCD结构和辐照后的退火试验结果, 对 CCD的辐射效应损伤机理进行分析。
电荷耦合器件 电离总剂量效应 位移损伤效应 偏置条件 Charge-Coupled Devices total ionizing dose effect displacement damage effect bias conditions 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(9): 915
1 中国科学院 新疆理化技术研究所 中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011
2 新疆电子信息材料和器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011
3 中国科学院大学，北京 100049
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器应用于空间时容易受到空间质子辐照影响。在地面对某国产商用CMOS图像传感器开展质子辐照试验，试验中通过离线和在线采集图像两种方法研究其累积辐射效应和单粒子效应。通过分析辐照后暗信号变化研究质子诱导累积辐射效应，并从总剂量和位移损伤两方面分析了暗信号分布规律和产生机理。在线采集图像表明：质子诱导CMOS图像传感器像素单元单粒子现象包括瞬态亮点、瞬态亮斑和瞬态亮线。结合质子和CMOS图像传感器相互作用物理过程解释上述不同形状单粒子瞬态现象产生机理。试验中没有观察到CMOS图像传感器外围电路出现质子诱导的单粒子闩锁和单粒子功能中断现象。
红外与激光工程
2020, 49(7): 20190433
中国科学院新疆理化技术研究所 固体辐射物理研究室，新疆 乌鲁木齐 830011
为了分析恶劣空间辐射环境导致星敏感器性能退化、姿态测量精度降低的原因，深入研究了辐射环境下互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器辐射损伤对星敏感器性能退化的影响。该方法通过建立空间辐射和CMOS图像传感器辐射损伤敏感参数、星敏感器性能参数之间的相关性，揭示了CMOS 图像传感器器件参数退化到星敏感器系统参数退化的传递机制。60Co-γ辐照试验表明：辐照后，系统信噪比的降低导致星敏感器星等探测灵敏度的降低，信噪比是联系CMOS图像传感器和星敏感器系统之间的桥梁。质子辐照试验表明：当辐照注量大于3.68×1010 p/cm2时，已无法正确提取星点质心。该研究结果为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定了一定的基础，更可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。
星敏感器 CMOS图像传感器 辐射损伤 性能退化 star sensor CMOS image sensor radiation damage performance degradation 红外与激光工程
2020, 49(5): 20190555
1 中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点试验室, 新疆电子信息材料与器件重点试验室, 中国科学院 新疆理化技术研究所, 新疆 乌鲁木齐 830011
2 中国科学院大学, 北京 100049
应用于空间的图像传感器在辐射影响下产生的热像素严重影响空间光电探测性能, 本文通过质子辐照试验研究了热像素的产生和变化规律。首先, 使用3 MeV和10 MeV两种能量的质子对图像传感器进行辐照, 分析不同能量、不同注量的质子辐照产生热像素的性质; 其次, 再对辐照后的器件进行退火试验, 分析热像素的退火规律。对于相同注量辐照, 3 MeV质子辐照下热像素产生率大约是10 MeV质子辐照下的2.3倍, 但是10 MeV质子辐照产生热像素的灰度值高于3 MeV质子; 辐照过程中热像素的数量都是随着注量的增加线性增加。退火过程中, 热像素数量都不断减少, 而3 MeV质子辐照产生的热像素相比于10 MeV质子, 退火更为显著。结果表明, 质子辐照下每个质子与器件之间的作用过程及产生缺陷的机制是相对独立的, 不同质子的作用过程之间没有相关性。不同能量的质子辐照产生缺陷的类型不同, 导致热像素具有不同特性。
CMOS图像传感器 热像素 质子辐照 位移损伤 暗信号 CMOS image sensor hot-pixels proton irradiation displacement damage dark signal
1 中国科学院新疆理化技术研究所 中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830011
2 新疆电子信息材料与器件重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830011
3 中国科学院大学, 北京 100049
对不同偏置状态下的国产科学级0.18 μm工艺掩埋型4T-CMOS有源像素图像传感器进行钴-60γ射线辐照和退火实验, 研究总剂量效应对图像传感器的性能影响, 并观察是否存在总剂量偏置效应。着重分析暗电流、满阱容量等参数随累积剂量的变化规律。实验结果表明随着辐照总剂量累加, 暗电流前期缓慢增长, 之后退化明显加剧, 这主要是由于辐照致界面态和氧化物陷阱电荷密度增加。4T-CMOS图像传感器的暗电流主要由来源于STI界面, 而辐照导致耗尽区展宽与STI接触使得暗电流增长加剧, 同时, 辐照导致的耗尽区展宽也引起满阱容量的下降。并且在4T-CMOS图像传感器的实验中没有发现明显的总剂量偏置效应。
CMOS有源像素传感器 总剂量效应 暗电流 CMOS active pixel sensor total ionizing dose radiation effect dark current 红外与激光工程
2018, 47(10): 1017002
中国科学院 新疆理化技术研究所 材料物理与化学研究室, 新疆 乌鲁木齐 830011
针对EMVA 1288标准测试辐照后互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的重要性能参数(光子转移曲线和转换增益)适用范围受限的问题, 提出了针对辐照后CMOS图像传感器光子转移曲线和转换增益的改进的测试方法。该方法通过调整测试条件, 限制辐照后CMOS图像传感器的暗电流和暗电流非均匀性噪声, 求解出辐照后正确的器件性能参数, 从而直观地得知辐照所引起的器件性能变化。利用该方法进行了实验测试, 结果显示: 辐照导致转换增益比辐照前退化了7.82%。依据此结果分析了辐照导致光子转移曲线和转换增益退化的机理, 认为转换增益的退化是由于质子辐射引起的电离效应和位移效应导致暗电流、暗电流非均匀性增大所致。本文为掌握CMOS图像传感器的空间辐射效应提供了理论基础。
CMOS图像传感器 辐照 光子转移曲线 转换增益 CMOS image sensor irradiation photon transfer curve conversion gain 光学 精密工程
2017, 25(10): 2676
1 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
2 海军驻二十所军事代表室, 陕西 西安 710060
针对某机载红外转塔在低温环境下会产生像面抖动的现象, 分析了引起像面抖动的主要因素, 通过建立模型、热力学分析和静力分析, 得出在低温环境下俯仰支架变形量最大为0.34 mm, 承受加速度过载下变形最大为0.46 mm。通过对俯仰支架进行调整、固化形态, 使俯仰组件低温转动平滑, 应力变形量在0.05 mm以内。同时对旋变布线方式及电机电刷安装位置提出了改进措施并给出了控制数据, 解决了某机载红外转塔低温像面抖动问题。
弱刚性 低温卡滞 像面抖动 热力学分析 静力分析 weak rigidity lag at low temperature image jitter thermodynamic analysis statics analysis
为了提高光具座自动测焦距时的测量精度, 设计一套连续变焦光学系统。该系统包括自准直组件和变焦组件两部分, 可以调节CCD靶面上接收到的图像大小, 得到最佳测量结果。根据设计指标要求, 在控制系统总长的基础上进行初始结构选择和像质优化。设计完成后的自准直组件焦距200 mm, 变焦组件焦距200 mm~20 mm, 对接后的变焦系统可实现图像大小1×~10×连续调节。模拟实验表明: 变焦系统像质良好, MTF曲线接近衍射极限, 弥散斑小于CCD像元大小, 可以满足实际检测需求。
光具座 光学设计 自动测量 变焦 optical bench optical design automatic measurement zoom
为解决高精度检测非球面反射镜的难题, 提出利用Zygo干涉仪完成非球面环形子孔径检测。通过移动待测非球面, 使得由干涉仪产生的参考球面波, 以不同的曲率半径匹配待测非球面的各个环带区域, 分别测试每个环带, 进而完成对整个非球面的拼接检测。以双曲面反射镜为例进行拼接检测, 并搭建辅助光路, 利用无像差点法对拼接结果进行验证。验证结果表明: 该方法测量误差小于1/20 λ(λ=632.8 nm)。
环形子孔径 Zygo干涉仪 非球面检测 annular sub-aperture stitching Zygo interferometer aspheric testing
1 华中科技大学武汉光电国家实验室, 湖北 武汉 430074
2 武汉邮电科学研究院光纤通信技术和网络国家重点实验室, 湖北 武汉 430074
针对在任意阶正交幅度调制(M-QAM)的相干光通信系统中发射激光器与本振激光器之间存在频率偏差的问题，提出了一种基于幅度比值的低复杂度频偏估计算法。该算法先对接收信号做快速傅里叶变换(FFT)，再利用所获得的离散谱中主峰值与次峰值的关系进行频率插值，从而对频偏进行精确估计，大幅减少了运算复杂度。仿真了算法在20 Gbaud 16QAM 的单偏振传输系统中的性能，并与梯度下降法(GD)和调频Z 变换(CZT)的频偏估计算法进行了对比，仿真结果显示，基于幅度比值的频偏估计算法性能不随被估计信号的频率分布而产生波动，而且与3次迭代的GD 算法和CZT算法精度相当，但硬件复杂度降低了约75%。
光通信 载波频率估计 相干检测 数字信号处理 正交幅度调制
