1 中国科学院半导体研究所 超晶格实验室，北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
非制冷红外成像技术具有非常广泛的应用前景。但是，目前非制冷红外成像芯片存在非均匀校正、图像细节增强和条纹噪声等亟待解决的问题。论文提出并设计一种面向非制冷红外成像的图像处理专用SoC芯片，芯片集成了一个CPU、两个DSP处理器和一个红外图像处理专用加速器，单芯片可实现非制冷低功耗红外图像的非均匀校正、图像滤波、直方图均衡、数字图像细节增强、条纹消除和目标检测跟踪等实时图像处理。同时，研究开发了面向芯片应用的非制冷低功耗红外图像处理算法。采用65-nm CMOS工艺实现了非制冷红外图像专用处理SoC芯片，实现了基于非制冷红外成像芯片和图像处理SoC芯片的小型低功耗非制冷红外成像系统。测试结果表明成像系统可以实现清晰的非制冷红外成像、目标检测及目标跟踪等功能，系统功耗小于2 W，体积相比传统的系统减小了50%，满足对体积、功耗、性能要求比较高的系统的应用需求，具有较高的工程应用价值和前景。
红外图像处理 SoC芯片 非制冷红外探测系统 低功耗 infrared image processing SoC chip uncooled infrared detection system low-power
1 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心，北京 100083
提出了一种用于单光子雪崩二极管图像传感器的超高速目标定位处理器。它由一个处理阵列，一个Y特征向量生成器和一个位置计算器组成，能够进行噪声减除和目标定位处理。设计了一种省略了乘法和减法运算的高斯滤波和背景减除法，降低了计算复杂度和硬件资源消耗，并显著地提高了处理速度。整个处理器在FPGA开发板上实现，实验结果表明，该处理器能够以100 000 帧/s的速度实时处理128×128分辨率的脉冲图像，并定位其中的运动物体。本文提出的处理器架构同样可用于其他脉冲图像传感器。
目标定位 现场可编程 单光子雪崩二极管 背景减除 高斯滤波 Object location FPGA SPAD Background subtraction Gaussian filter 光子学报
2022, 51(11): 1104001
1 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心, 北京 100083
面向微光环境的高时间分辨成像需求, 基于CMOS图像传感器工艺, 设计并仿真验证了一种具有三角形状梯度掺杂且浮置扩散区域中置的超快电荷转移大尺寸光电二极管(PPD)像素器件。它通过N埋层掺杂形状和梯度掺杂设计增强光生电荷传输路径的电势梯度, 加速光生电荷从N埋层感光区域向电荷存储区域的转移。同时通过对传输管沟道的梯度掺杂, 减小了沟道反弹电荷的水平, 有效提升了光生电荷转移效率。仿真结果表明, 三角形枝状的圆形像素器件在30000个电荷的情况下, 在电荷转移效率达到99.9%时, 电荷转移时间为1ns, 同时其反弹电荷水平在1e-以下。该PPD像素器件可用于微光环境下的高时间分辨率成像。
PPD像素器件 大尺寸像素器件 超快电荷转移 高时间分辨率 PPD pixel device large-size pixel device ultra-fast charge transfer high time resolution
红外与激光工程
2020, 49(5): 20190553
1 State Key Laboratory of Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing00083, China
2 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing100083, China
3 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049, China
基于Dyakonov和Shur等离子体波振荡原理设计并流片制备了一种采用65 nm 标准CMOS工艺的3.0 THz探测器，探测器包括贴片天线、NMOS场效应晶体管、匹配网络及陷波滤波器。探测器在室温条件下可达到526 V/W的响应率（Rv）和73 pW/Hz
1/2的噪声等效功率（NEP）。采用该探测器和步进电机搭建了太赫兹扫描成像系统，获得了太赫兹源出射光斑的远场形状，光斑的半高宽（FWHM）为240
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；并对聚甲醛牙签和树叶进行了扫描成像实验，结果表明CMOS太赫兹探测器在成像领域有潜在的应用前景。
1 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室, 北京100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京100049
3 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心, 北京 100083
设计了一款用于激光雷达的CMOS单光子飞行时间图像传感器.该传感器集成了16个结构优化的单光子雪崩二极管像素和一个双计数器结构的13-bit时间数字转换器电路.每个像素单元包括一个新型的主动淬灭-恢复电路.该设计通过优化器件的保护环来降低器件的暗噪声; 带有反馈回路的主动淬灭-恢复电路用于降低死时间; 时间数字转换器采用双计数器结构来避免计数器的亚稳态导致的计数错误.基于CMOS 180 nm标准工艺制作了该传感器.测试结果表明：在1 V的过偏压下, 单光子雪崩二极管列阵的中值暗计数率为8 kHz; 在550 nm波长光照下探测效率最高, 为18%; 设计的主动淬灭-恢复电路将死时间有效降低至8 ns; 时间数字转换器的分辨率为416 ps, 帮助整个系统实现厘米级距离分辨率.该传感器在0.5 m距离下实现了空间分辨率为320×160的深度图像, 其测距的最大非线性误差为1.9%, 准确度为3.8%.
单光子雪崩二极管 CMOS工艺 飞行时间测量 激光雷达 时间数字转换器 Single photon avalanche diode CMOS technology Time-of-flight LiDAR Time-to-digital converter
1 中国科学院半导体研究所 超晶格国家重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心, 北京 100083
针对实现遥感图像中船只目标的快速检测, 提出了一个采用多光谱图像、基于级联的卷积神经网络(CNN)船只检测方法CCNet.该方法所采用两级级联的CNN依次实现感兴趣区域(ROI)的快速搜索、基于感兴趣区域的船只目标定位和分割.同时, 采用含有更多细节信息的多光谱图像作为CCNet的输入, 能够提升网络提取特征鲁棒性, 从而使得检测更加精确.基于SPOT 6卫星多光谱图像的实验表明, 与当前主流的深度学习船只检测方法相比, 该方法能够在实现高检测精准度的基础上将检测速度提高5倍以上.
船只检测 遥感图像处理 卷积神经网络 多光谱图像 ship detection remote image processing convolutional neural network multispectral image
1 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室, 北京100083
2 中国科学院大学, 北京100049
设计了一款用于高速CMOS图像传感器的多列共享列并行流水线逐次逼近模数转换器。八列像素共享一路pipeline-SAR ADC, 从而使得ADC的版图不再局限于二列像素的宽度, 可以在16列像素宽度内实现。该模数转换器采用了异步控制逻辑电路来提高转换速度。半增益数模混合单元电路被用于对第一级子ADC的余差信号放大, 同时被用于降低对增益数模混合单元电路中运放性能的要求。相关电平位移技术也被用于对余差信号进行更精确的放大。整个pipeline-SAR ADC第一级子ADC精度为6-bit, 第二级子ADC为7-bit, 两级之间存在1-bit冗余校准, 最终实现12-bit精度。输入信号满幅电压为1 V。该8列共享并行处理的pipeline-SAR ADC在0.18 μm 1P4M工艺下制造实现, 芯片面积为 0.204 mm2。仿真结果显示, 在采样频率为8.33 Msps, 输入信号频率为229.7 kHz时,该ADC的信噪失真比为72.6 dB; 在采样频率为8.33 Msps, 输入信号频率为4.16 MHz时,该ADC的信噪失真比为71.7 dB。该pipeline-SAR ADC的电源电压为1.8 V, 功耗为4.95 mW,功耗品质因子(FoM)为172.5 fJ/conversion-step。由于像素尺寸只有7.5 μm, 工艺只有四层金属, 因此这款12-bit多列共享列并行流水线逐次逼近模数转换器非常适用于高速CMOS图像传感器系统。
高速CMOS图像传感器 多列共享列并行 high speed CIS multiple-columns-shared-parallel pipeline-SAR AD pipeline-SAR ADC 红外与激光工程
2018, 47(5): 0520001
中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室, 北京 100083
太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求, 设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器(ADC)、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管, 探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器(ADC)采集并转换为数字信号, 该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板(PCB)上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术, 并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。
太赫兹波成像 太赫兹波探测 terahertz imaging CMOS CMOS terahertz detection 红外与激光工程
2017, 46(1): 0125001
