为解决弱光环境下月球着陆粗避障环节成像不清晰的问题，提出了“区域”像元合并和去除相机本底值两种图像预处理方法，来提高探测器的成像灵敏度和图像信噪比与对比度。在分析传统像元合并实现原理的基础上，提出了一种针对n_taps成像数据格式的“区域”像元合并方法。根据月球着陆粗避障环节中大尺度障碍识别的特点，通过去除相机本底值来提高图像的对比度。最后，利用宽、窄视场两款相机分别对像元合并、去除相机本底值以及两者结合的方法进行了重复性实验。实验结果表明，在弱光环境下，结合像元合并与去除相机本底值的方法可有效提高图像的信噪比与对比度，2_Binning模式下宽视场相机的信噪比可提高5.901 4 dB、对比度可提高0.254 7，窄视场相机的信噪比可提高5.764 4 dB、对比度可提高0.265 4；4_Binning模式下宽视场相机的信噪比可提高11.689 9 dB、对比度可提高0.210 2，窄视场相机的信噪比可提高11.401 5 dB、对比度可提高0.284 0。

随着科学技术的不断发展,单光子雪崩光电二极管(SPAD)在极弱光探测领域起着不可或缺的作用。但是,在需要同时进行可见光和红外光的应用场景下,单一波峰响应的SPAD往往独木难支,而采用多个单波峰器件又降低了整个系统的集成度。为解决这一问题,设计了一种分别在可见光区和红外光区响应的双波峰SPAD。为确保该器件能实现预期的功能,首先利用半导体工艺器件仿真软件(TCAD)来验证该器件的合理性,再通过搭建外部淬灭电路来测试SPAD的各项性能参数。测试结果显示,该器件的雪崩击穿电压为12.75 V。在22 ℃的室温条件下(过偏压为0.5 V),SPAD的光子探测概率在520 nm处达到32%,在840 nm处达到12%。此外,当过偏压为1 V时,其暗计数率(DCR)为1 kHz。因此,该SPAD能够实现对可见光及近红外光的双波峰探测,并且将DCR控制在一个较低的范围内。

提出一种SOI基的新型隧穿场效应晶体管（TFET）探测器结构，将光电二极管与TFET结合，实现光信号的探测放大.光电二极管的正极与TFET的栅极互连，感光后光电二极管的光生电势调控TFET的沟道势垒，控制TFET的输出电流，实现光信号到电流信号的转化.陡峭的亚阈值摆幅能有效放大输出电流，提高TFET探测器的响应度.应用SILVACO完成探测器结构和性能的模拟仿真.光电二极管的光生电势通过较薄的BOX区形成了TFET的底部栅压，增强了对沟道势垒的控制能力，增大了输出电流，结果表明，探测器对弱光具有较高的响应度，当入射光强小于10 mW/cm²时，响应度可超过10⁴ A/W.此外，通过调整光电二极管的反偏电压、在源区与沟道间插入n⁺口袋等方法可显著提高探测器的输出电流和响应度.

为了研制出满足未来空间引力波探测需求的弱光探测器, 初步进行了弱光探测器性能检测, 分析了探测器的响应度、响应带宽、本底噪声等性能指标, 以筛选出能满足未来空间引力波探测要求的探测器研制途径和解决方案。首先, 根据空间引力波探测太极计划的激光器功率、轨道、星间距等设计方案, 推算出太极计划所需探测器的性能指标; 然后, 与中国电子科技集团公司第四十四研究所、西南技术物理研究所和中国科学院上海技术物理研究所等单位合作研制了3款弱光探测器; 最后, 利用本课题组研制的低噪外差激光干涉系统对其响应度、响应带宽及本底噪声等指标进行检测, 并分析了影响探测器性能指标的因素。实验结果表明: 其中两款探测器的响应度优于1.8×105 V/W, 响应带宽大于10 MHz; 3款探测器的本底噪声均低于10 pm/Hz@10 mHz (0.1 mHz~1 Hz), 信噪比高于20 dB。这3款探测器在响应度、响应带宽和信噪比等方面具有满足未来太极计划实验星要求的潜力。

为了满足在极低和较高光功率范围内对光信号的探测, 提出了基于硅光电倍增管(SiPM)的弱光检测系统, 该系统包含自动调节偏压电路、电流. 电压转换电路、小信号放大电路和滤波电路。测量不同偏压下 SiPM的输出与入射光信号之间的关系, 实验结果显示, 偏压对 SiPM的输出有很大影响, 不同偏压下, SiPM的探测能力和探测范围都不相同。此外, 该系统对 25 pW到 1.75 μW的光信号都有响应, 能在极低和较高光功率范围内对光信号进行连续探测。

为了实现二维平面上以单光子的灵敏度探测光强分布,提出了一种基于多阳极光电倍增管的阵列型光子计数器。并通过高频甄别技术和等幅放大技术实现对光电脉冲的低噪声恒定放大、解串扰技术消除相邻像素间的串扰影响,最终完成了8×8阵列型光子计数器的研制。测试结果表明,本阵列型光子计数器的单像素的最大计数率为100MCPS,峰值光子探测效率约21.2％,帧频最高可以达到10 kHz,在1.8 m望远镜平台上可以稳定探测10等星以内的暗弱天体。

MicroRNA(miRNA)与疾病的发生和发展密切相关, 可作为疾病诊断标志物。常规检测miRNA的方法耗时较长且操作复杂, 本文设计了一种便携式miRNA快速检测系统。该系统采用光电检测技术检测滚环扩增后的标志物miRNA受激发出的荧光强度, 对采集到的荧光数据进行分析, 得出miRNA的变化情况。实验得出便携式miRNA快速检测系统在试剂浓度为0.1~1 μmol时, 荧光强度线性偏倚不超过±5%, 系统重复性大于95%。通过对冠心病检测标志物miR-499进行滚环扩增实验, 结果表明设计的便携式miRNA快速检测系统能够快速有效地检测miRNA。

基于UMC 0.18μm CMOS工艺，提出一种适合紫外/蓝光探测的探测器，该器件由栅体互联的NMOS晶体管和横向/纵向光电二极管构成.其中，浅结的光电二极管由UMC工艺中Twell层（浅P阱）和Nwell层形成，以增强其对紫外/蓝光的吸收，栅体互联的NMOS晶体管可以放大光电流，提高探测器的灵敏度和动态范围.仿真结果表明，本文设计的紫外/蓝光探测器具有低的工作电压和暗电流，对300~550 nm波长范围的光具有高的响应度和宽的动态范围.在弱光条件下（光强小于1 μW/cm2），响应度优于105 A/W，随着光强增大，响应度逐渐降低，但总体仍超过103 A/W.

为了实现MicroRNA的快速检测, 设计了一种便携式MicroRNA快速检测仪.基于等温滚环扩增技术, 采用光电检测方法, 检测标志物受激发出的荧光光强, 建立特征荧光分析检测系统.通过改变激发光强度、MicroRNA试剂浓度等参量, 验证了该仪器可测量的MicroRNA的浓度范围为0.01~0.1 μmol, 可检测出的最低检出限为7个拷贝数, MicroRNA浓度与荧光信号强度之间为线性关系(R2=0.999 1).

设计了一种用于探测光纤激光器系统中有源光纤中残余的弱泵浦光的方法。采用两种光纤探针对剥离涂覆层的有源光纤以及保留涂覆层的光纤进行了包层泄漏光的测试, 优选出锥形探针作为弱光探测的光纤探针, 并用该探针测得泄漏光与包层残余泵浦光的功率关系, 发现二者呈线性关系并有对应的比例系数。通过该光纤探针的方法可实现快速确定有源光纤在激光器中的使用最佳长度, 避免传统方法中对有源光纤进行多次切割、熔接再测试等操作, 极大地提高了测试效率并降低了测试成本。试验同时发现, 光纤探针在剥离涂覆层光纤上的探测效果优于未剥离涂覆层的光纤探测效果。