全固态高灵敏度的半导体紫外探测器性能优越, 在多个领域有着广泛的应用需求。文章简要综述了该类技术的研究进展, 并对其发展趋势进行了展望。

通过蓝光芯片荧光粉转换及三基色混光合成的白光LED照明等产品已得到了广泛应用, 但目前LED照明等产品还存在着光强、光形和色温等分布不均匀的问题。针对近期通过荧光粉本身粒度控制及分布控制、远程平面荧光涂层、球形荧光涂层、TIR棱镜集成及混光匀光等方式, 改进了LED封装的工艺和技术, 通过二次光学设计改善了LED封装中的光强、光形、色温分布等, 并对相关光学研究的进展进行了综述。

利用光的轨道角动量传递信息可有效提高信息传输的速率。介绍了光轨道角动量的基本概念和主要特性, 探讨了基于轨道角动量的自由空间光通信的基本原理和典型系统, 并对相关的关键技术进行了分析, 在此基础上, 对基于轨道角动量的自由空间光通信的应用前景和发展趋势作了展望。

提出了一种基于6T像素结构的全局曝光CMOS图像传感器。通过采用PPD结构的6T像素、高复位电平和低阈值器件, 提高了动态范围, 并优化设计了像素单元的版图, 使之获得较高的填充系数; 模拟读出电路部分, 通过采用双采样、增益放大和减小列级固定模式噪声(FPN)处理, 以及对列选控制电路进行优化, 减小了对全局PGA的运放设计要求。芯片的工作频率为20MHz, 动态范围为66dB, 实现了全局曝光方式CMOS图像传感器的设计。

为提高紫外焦平面组件成像质量, 提出了可用于紫外焦平面的像素级数字化读出电路结构。针对紫外信号微弱及焦平面探测器像素面积小的特点, 设计了基于电容反馈跨阻放大器(Capacitive Trans-Impedance Amplifier, CTIA)结构、模数转换器和锁存器的紫外焦平面像素级模数转换读出电路, 并给出了实现像素内模数转换的工作原理。详细讨论了像素内模数转换的实现方法, 各模块的设计要求及其具体实现, 并基于0.35μm DP4M CMOS工艺设计制造了面阵规模128×128、像素单元面积50μm×50μm的读出电路芯片。电路性能测试与成像实验表明: 电路的精度达到1mV以下, 有效位数达到11位, 实现了紫外焦平面读出电路的低噪声数字化输出。

运用半导体二维数值模拟软件sentaurus TCAD, 对内线转移可见光CCD积分过程、读出过程光敏区域电势变化规律进行了数值模拟研究, 建立了sentaurus TCAD软件模拟内线转移CCD器件的仿真模型; 对影响器件电荷容量、抗晕性能的纵向抗晕p阱浓度、结深进行了模拟分析, 得出p阱浓度应控制在(2.5~5.5)×1016cm-3, 结深应控制在5.5~6.5μm的结论。

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。

介绍了抗辐射加固设计使用的总剂量辐照效应模型, 研究了它在时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)电荷转移效率参数衰减中的应用, 并通过不同剂量60Co γ辐照试验, 验证了该模型在TDI-CCD器件抗辐射加固设计中的应用价值。

介绍了InGaN紫外探测器的研制过程, 并给出了器件的性能。利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长GaN外延材料, 通过刻蚀、钝化、欧姆接触电极等工艺, 制作了正照射单元In0.09Ga0.91N紫外探测芯片。并对该芯片进行了I-V特性、响应光谱等测试, 得到芯片的暗电流Id为1.00×10-12A, 零偏压电阻R0为1.20×109Ω。该紫外探测器在360~390nm范围内有较高的响应度, 峰值响应率在378nm波长处达到0.15A/W, 在考虑表面反射时, 内量子效率达到60%; 优质因子R0A为3.4×106Ω·cm2, 对应的探测率D*=2.18×1012cm·Hz1/2·W-1。

为给密集波分复用(DWDM)光纤通信及光纤传感系统提供理想光源, 设计了一种双波长环形腔掺铒光纤激光器。该激光器采用单支光纤光栅(FBG)和2个3dB耦合器构成可调谐光滤波器, 结合多模光纤的偏振烧孔效应, 通过改变系统的偏振态来获得波长可调谐的双波长激光输出。实验结果表明: 改变系统的偏振态时, 可分别获得单波长和双波长激光输出, 双波长光纤激光器的最大波长差为4.692nm。引入多模光纤后, 激光跳模现象得到明显抑制。

针对某陀螺厂家新引入的超辐射发光二极管(SLD)光源对微分控制环节依赖性显著的问题, 对光源温控环节的传递函数和补偿控制进行了理论和试验分析。理论分析和试验结果表明, SLD管芯温度与TEC电流间的传递函数为时间滞后的二阶系统, 该时间滞后源自热敏电阻的位置及其与管芯之间的距离; 热敏电阻和管芯间距越大, 管芯温度与TEC电流的时间滞后越大, 微分环节的滞后补偿作用也就越显著; 选择适当的微分参数, 可使时间滞后相差较大的不同厂家光源同时获得良好的温控效果。上述结果不仅揭示了SLD光源温控环节时间滞后的来源, 还对理解微分环节在SLD温控系统中的作用提供了客观依据。

采用可见光面阵CCD测量激光的远场能量分布时, 在其光敏面上观察到了规律性圆环条纹的出现。为了精确测量圆环的能量分布和条纹间距, 分析其形成机理, 依据光的干涉和衍射理论, 研究了面阵CCD主要参数的选取。研究结果表明: CCD的分辨率主要取决于衍射效应的条纹间距, 动态范围取决于衍射条纹的级次, 而最低照度由入射激光的功率和作用距离决定。研究成果可为分析规律性圆环条纹的形成机理提供技术支持和有益参考。

首先介绍了级联结构光纤参量放大器的工作原理, 即通过两种光纤色散补偿来平坦信号输出增益。其次推导出小信号近似下单泵浦级联光纤参量放大器的信号输出增益表达式, 并在此基础上利用Matlab软件对影响增益特性的各个参数进行数值分析。结果表明, 级联光纤参量放大器的峰值增益与增益带宽, 受到分段数、泵浦光功率、泵浦波长、色散补偿光纤(DCF)长度、高非线性光纤(HNLF)的零色散波长、HNLF长度、HNLF非线性系数和HNLF色散斜率的影响。

考虑外场和镜像电荷的影响, 对F-N公式进行了改进, 利用改进的势垒穿透公式对阴极阵列场致发射太赫兹源的物理机制进行了分析, 利用渡越时间效应导出了束波相互作用的能量交换, 并在此基础上讨论了电子注能量增量、电子注功率、负载电导和束波转换效率等。

基于角锥棱镜的基本结构及定向反射的光学特性, 证明了同一光束出射点与入射点的对称关系以及不同入射光束出射点与对应顶点投影点的偏移量关系。推导出不同入射条件下角锥棱镜最大入射角及有效反射面积的理论计算方法, 并给出最大入射角随方位角和折射率变化的规律图线及有效反射面积随入射角、方位角、折射率变化的规律图线。研究为角锥棱镜阵列的有效反射面积、回波能量的计算、误差分析等提供理论基础, 且对正确设计使用角锥棱镜具有重要的理论指导意义。

提出了一种基于非线性放大光纤环形镜(AFMLF)滤波器的双倍布里渊频移间隔的多波长掺铒光纤激光器(MWBEL)环形腔结构, 其中非线性放大光纤环形镜被用作滤波器。当980nm泵浦功率为10.29dBm、可调激光源(TLS)的中心波长为1563nm、功率为-3dBm时, 得到了波长间隔为0.16nm的12阶偶数阶多波长激光输出。同时, 还研究了980nm抽运功率、偏振控制器(PC)以及可调激光源的中心波长对输出斯托克斯光波数的影响。

解决铜铜键合工艺中的铜氧化问题对于三维集成技术具有重要意义。选用1-己硫醇做临时钝化剂, 通过自组装形式形成单层膜附着于铜表面, 以防止铜在存放时与空气接触而发生氧化, 键合前再使用乙醇等有机溶剂去除该单层膜。为了评估1-己硫醇的钝化效果, 采用接触角作为主要指标对实验结果进行评价。研究表明, 样片表面经过1-己硫醇处理后, 接触角极大增加, 并在空气中长时间保持稳定, 说明1-己硫醇具有良好的钝化效果, 采用此方法得到了高质量的铜铜热压键合样片。

基于一种新型的稠合噻吩-吡咯并吡咯二酮聚合物半导体(PTDPPTFT4), 采用溶液法工艺制作了高性能环保型、空穴型有机薄膜晶体管。通过尝试不同的半导体层退火温度及退火时间, 优化了有机薄膜晶体管的性能。当采用对二甲苯溶剂, 退火温度为190℃, 退火时间为60min时, 迁移率为2.1cm2·V-1·s-1, 电流开关比大于106。通过X射线掠入射角衍射法测试, 得到高温退火后聚合物薄膜的结构特点, 进而揭示了退火条件改变后, 薄膜晶体管拥有高迁移率的原因。

针对带有常规的第一类反光杯的基板结构因受限于封装引线键合工艺而反光杯尺寸较小的情况, 通过光学理论分析了其存在反射光线不完全的问题, 提出在LED模组芯片间开设第二类反光结构的解决方案。并基于光学分析软件Tracepro的仿真研究, 验证了其有效性。在此基础上设计了新型包含两类反光杯的基板结构, 最高可使LED模组出光效率和中心光强与没有开反光杯的情况相比提升近23%和 38%。

以二甲基硅油为基础油, 通过添加不同粒径和含量的Al、Cu、Ag、AlN、SiC和石墨, 制备了单一填料的单组分以及两种填料大小搭配的二元混合导热硅脂, 研究了硬脂酸表面处理、填料种类、大小及比例对导热硅脂热导率的影响, 得到了以下结果: 硬脂酸处理能提高单组份Al、AlN硅脂的导热性能, 但不适用于提高含石墨、SiC、Cu的硅脂的性能; 填料填充的最佳比例在0.55~0.60之间; 以Ag微粒作为第二填料增强Al和AlN为主填料的硅脂时, 对导热率的增强效果高于AlN和Cu、Ag/AlN二元混合硅脂热导率5.5W·m-1·K-1。将制备的导热硅脂用于LED散热, 结果表明自制导热硅脂实际散热效果优于市购热界面材料。

用水热法成功合成了Co_xMn_1-xFe₂O₄纳米磁性颗粒粉体。样品物相用X射线衍射仪表征, 形貌通过透射电镜(TEM)观测。CoxMn1-xFe2O4纳米粉体的平均尺寸和晶格常数从XRD计算得到, CoxMn1-xFe2O4纳米颗粒的晶格常数随着Co2+含量的增加而变小。所得样品的磁性用振动样品磁强计(VSM)测试, 结果表明, 所制备的CoxMn1-xFe2O4粉体在室温下的铁磁性、饱和磁化强度和矫顽力随着Co2+含量的增加而变大。

为了获得高温条件下封装材料对LED模组可靠性的影响, 在125℃环境温度下, 使用高温试验箱同时对四种不同的样品进行恒定温度的老化试验。结果表明: 在高温试验条件下, 没有使用硅胶和荧光粉的LED模组具有很高的可靠性; 而硅胶的碳化以及随之产生的气体、阻碍散热的荧光粉都会使光照度加速衰减, 同时使用硅胶及荧光粉会使光照度迅速衰减导致模组失效。

在不同温度条件下对Cd0.9Zn0.1Te晶片进行In气氛退火热处理, 显著提高了Cd0.9Zn0.1Te材料的电阻率。通过实验测量和理论建模计算, 得到了1073、1023和973K条件下In原子在Cd0.9Zn0.1Te晶片中的扩散系数分别为4.25×10-9cm2·s-1、9.02×10-10cm2·s-1和2.17×10-10cm2·s-1, 并且拟合出了1073~973K范围内扩散系数和温度之间的函数关系表达式D(T)=2.15×exp(-1.9/k0T)及频率因子D0等数据。最后, 对实验结果进行了简要的对比和分析解释。

对p-GaN/Ni/Au欧姆接触特性与Ni金属层厚度之间的相关性进行了对比实验研究, 利用XRD衍射结果与表面金相显微分析手段对Ni/Au双层金属电极在合金退火过程中的行为特性进行了细致探讨。分析结果表明: 在Ni/Au电极结构中, 由双层互扩散机制与NiO氧化反应机理决定, Ni层与Au层之间的厚度比率对p型GaN欧姆接触特性的优劣有重要影响, 在Ni、Au层厚度相当时可获得最佳的p型欧姆接触。

阐述了工序能力指数(Cpk)的理论原理及计算方法。通过对某带通滤光片截止区域截止点所在波长位置的统计分析, 从截止点(透过率T为5%的点)的分布情况, 计算分析得出其Cpk值主要在1.0~1.33之间。提出了有效提高滤光片镀膜工序能力指数的方法和途径, 包括减小参数分布的标准偏差δ、优化调整工艺条件, 以及尽可能减小工艺参数分布中心μ与规范中心值T0之间的偏离等。

针对仲裁环型与交换式FC-AE-1553总线时间延迟不易确定的问题, 提出了一种新的基于无源光网络的总线型FC-AE-1553结构。该结构采用下行广播、上行分时复用的传输机制, 消息在总线上的传输时间延迟非常确定, 方便用户根据时序严格编排总线任务, 适合应用于航空航天等强实时要求的环境。

为了适应光通信发展的要求, 依据分组Turbo码(BTC)传统Chase译码算法的分析, 提出了一种基于不对等可靠位数的改进新译码算法。使用该算法在每次迭代时将产生一个可靠度参数对外部信息进行修正, 从而提高BTC的译码性能。仿真结果表明: 在误码率(BER)为10-5且迭代4次的情况下, 新BTC译码算法与传统Chase译码算法相比, 其净编码增益(NCG)提高了0.9dB, 并且在最差情况下给系统增加的译码复杂度都不大。

根据卫星光交换网络应用需求, 结合现有的地面光突发交换资源预留方法, 提出了一种基于突发流的资源预留协议。首先通过流量估计把突发数据按照目的地址和QoS区分为单个突发和突发流, 然后按照这两种分类对卫星光网络资源进行了成功预留。为了对该预留方法进行考察, 建立了平均端-端时延、吞吐量、链路利用率数学分析模型。理论分析与仿真证明了该资源预留方法通过降低光交换矩阵的重置时间和交换时延, 有效降低了端-端时延, 提高了网络吞吐量, 适用于星载光交换网络。

对偏振复用-33%归零-差分正交相移键控(PM-33%RZ-DQPSK)和偏振复用-抑制载波归零-差分正交相移键控(PM-CSRZ-DQPSK)调制格式进行了传输性能仿真, 在仿真过程中, 分别考虑了光纤系统中的偏振模色散(PMD)、色散(CD)和非线性效应(SPM)三种限制因素。仿真结果表明偏振复用系统比非偏振复用系统更易受到PMD、CD和非线性效应的影响。整体来看, PM-CSRZ-DQPSK调制格式的传输性能比PM-33%RZ-DQPSK更为优秀。

依据SCG-LDPC码的结构特点提出了一种高效的分层可靠置信传播(HRBP)译码算法, 该算法结合分层迭代与可靠度判决测量有效降低后续迭代过程中的变量节点数, 同时加快了收敛速度。针对适用于光传输系统的SCG-LDPC(3969, 3720)码进行仿真, 仿真结果表明HRBP算法与传统的BP算法相比, 在保证性能的同时大大降低了运算量, 在阈值为15时, HRBP译码算法误码率性能与BP译码算法相当, 但是后续迭代的变量节点数在高信噪比下相比BP译码算法减少约69%, 当阈值进一步增大时, HRBP算法将逐步退化为分层置信传播(Layered-BP)译码算法。

OFDM是一种能有效抵御大气散射效应的调制技术, 提出了一种实现FSO-OFDM 传输的系统方案。对速率为2.5Gb/s的FSO-OFDM系统在不同的天气条件下进行了仿真研究。仿真分析了不同的调制方式和不同的子载波数时FSO-OFDM系统的误码率和光信噪比。仿真结果表明, 与采用16PSK调制方式相比, 采用16QAM方式系统将具有更低的误码率和更高的Q值。

对可见光通信系统收发端进行了研究, 采用分压限流式调制电路驱动LED, 以NJM4556AD运算放大器为核心器件作为接收端, 搭建了短距离可见光通信测试系统, 实验完成了50Hz~50kHz频率信号的有效传输, 通过优化接收端成功实现了语音信号的实时传输。实验表明, 随着频率的增加信号质量逐渐变差, 随着接收端偏离光源准直程度的增加, 接收功率逐渐变小, 甚至信号无法恢复, 并分析了影响信号恢复的主要因素, 优化电路后所传输的语音信号能够比较清晰地还原。实验结果对可见光通信的室内应用具有一定的参考价值。

为实现大尺寸轧钢几何尺寸、形状误差、表面缺陷的实时检测, 采用4个激光器和4个CCD摄像机搭建了多线结构光视觉传感器测量系统。针对多视觉传感器全局校准的关键问题, 设计了特殊形状的靶标, 提出了新的全局标定方法。利用交比不变原理获取光平面上多个标定点, 同步实现视觉传感器的局部标定和全局校准。详细阐述了标定的基本原理和系统构建过程, 分析了标定中存在的误差, 并提出了减小误差的方法。实验验证系统重复测量精度在0.04mm以内, 测量相对误差小于0.9%。

设计了一种新型多光谱多光轴**装备通用化的光轴平行性检校系统。采用高精度平移平行光管的方法, 使平行光管出射的平行光束分别进入**平台各个光电系统, 由平行光管产生无限远白光、微光、红外目标, 对待检测多光轴**系统进行光轴平行性检测。利用WMPS单发射站测角模型, 结合摄影测量PNP问题, 建立高精度空间坐标定位系统, 对平行光管在移动过程中进行精准位置姿态测量, 并根据测量结果进行高精度姿态恢复, 保证平行光管平移精度。该系统能够适用于多种不同类型光电**装备, 实现自动化检测, 并给出了数字化光轴误差量, 具有良好的通用性和可扩展性。

针对低照度环境下具有动态性的彩色图像辨识度相对较差的问题, 提出了基于人类视觉感知模型的对比度分辨率补偿算法。首先, 将图像从RGB空间转换到HSV空间, 保持H分量不变; 对V分量提取图像特征参数, 然后对V分量进行对比度分辨率补偿, 增强图像亮度; 并对S分量进行线性拉伸, 复原图像色彩信息; 最后将处理后的V分量和S分量与H分量进行反变换生成RGB空间新图像。实验结果表明, 该算法对低照度下具有动态性的彩色图像增强效果较好, 较好地保持了图像的细节, 取得了良好的视觉效果。

提出了一种基于距离相似性K-means的红外图像聚类算法。该算法对通过Isomap算法降维后的空间点, 进一步进行聚类; 算法中引入了密度因素, 通过距离相似性的差异进一步排除孤立点和选取初始聚类中心, 使数据内部的紧凑性得到加强。经过实验证明, 改进后的方法比原方法更有效, 时间复杂度也大幅度降低。

搭建完成了基于单偏振助推光学放大器的傅里叶域模式锁定扫频激光源, 并在此基础上实现了倍频傅里叶域模式锁定扫频激光源, 将光源的成像速度提高了一倍。该倍频激光源输出功率达到2mW左右, 扫描频率为45kHz, 输出光谱的中心波长为1315nm, 光谱宽度为107nm。利用该光源进行相干层析成像实验时, 系统的A-Scan速率为90kHz, 纵向分辨率为12.9μm左右, 相干长度为0.9mm左右, 灵敏度为105dB。

设计了一种用于与激光二极管芯片进行集成的基于MOSFE场效应管的大电流脉冲驱动电路方案, 计算了限流电阻对驱动电路中储能电容性能的影响, 分析了MOSFET场效应管峰值驱动电流与开通时间的估算公式, 通过仿真软件研究了激光器的寄生电感对驱动电路波形的影响; 理论和仿真结果表明, 通过驱动电路与激光器芯片的一体化集成, 提高了脉冲激光器性能, 设计并制作了尺寸为14mm的微型化驱动电路; 经测试, 27V直流电压源驱动下, 驱动信号上升时间小于15ns, 脉宽25~150ns, 最大占空比0.5%, 输出幅值大于22V。

为了保证激光器输出功率的稳定, 采用ADN2830给LD提供稳定的驱动电流, 以及采用MAX1978控制热电制冷器(TEC), 通过比例积分微分(PID)补偿电路产生控制信号控制TEC驱动电流的大小和方向, 实现对LD的制冷或加热, 从而保证LD工作在恒定温度下。经实验测试, LD在-35~45℃范围内输出光功率变化率小于0.06%; 在-55~85℃范围内输出光功率变化率小于0.16%。

针对天文、医学等领域科学成像需要, 设计了一套基于FPGA的科学级CCD成像系统, 并给出了设计中关键技术的解决方法。首先, FPGA提供CCD正常工作所需要的时序信号, 驱动CCD输出模拟图像; 再将模拟信号预放大、相关双采样、AD转化后输出给FPGA进行处理; 最后, 将图像信号在FPGA内部进行格式重组、添加图像信息等操作后输出给存储与显示单元。实验结果表明, 获取的图像质量较好, 不制冷时读出噪声仅6个电子, 满足了科学成像的需要。整个系统性能稳定可靠、实时性强, 具有较好的通用性。

提出了一种基于双目视觉的直升机旋翼桨叶共锥度检测方法。首先, 采用平面标定算法对双目视觉系统进行标定, 获取摄像机内外参数; 其次, 采集不同桨叶的立体图像对, 并用Bouguet算法对其进行校正, 获取重投影矩阵; 然后, 对立体图像对中的标记点进行检测与匹配, 获取标记点的视差; 最后, 根据双目视觉测量原理计算出桨尖距地面的高度, 实现桨叶共锥度检测。通过对旋翼塔进行多次测量实验, 结果表明该方法具有动态测量、非接触式、操作简单、危险性小和精度高的优点。

为了实现高精度、快速的肉质成分检测, 研究并设计了一种基于近红外激光光源的光纤导入结构的猪肉肥瘦成分检测方法。系统采用波长为670nm的激光二极管作为检测光源, 分光比为10∶90的光纤耦合器将光源分为两束, 选择其中90%通光一端作为检测光束, 利用光谱仪采集反射光; 将光纤导入探针, 设计采用球形光纤端面以增加对反射光的接收面积。实验中探针分别刺入猪肉的不同部分, 经过在肥瘦区域的实验对比分析, 肥肉部分产生的反射光较强, 瘦肉部分产生的反射光较弱; 建立了包含50个样本的数据库, 通过对样本进行分析, 瘦肥正确识别率为96%。

针对眼角膜内皮细胞分析仪手动定位跟踪眼球, 提出了一种基于嵌入式自动定位跟踪系统的设计方法, 采用图像处理与红外测距相结合的方法, 对目标物体进行了实时定位跟踪实验, 实现了对目标物体的自动定位跟踪, x、y轴定位误差不超过7个像素点, z轴定位误差不超过3mm。经临床证实该方法具有高可靠性、实时性和可实施性。

针对传统形态学在边缘检测算法上存在的检测边缘错位、较粗等缺点, 在传统形态学的基础上, 提出了一种具有方向估计性的梯度算子。该算法通过改进的梯度算子及多结构元素模式来获取梯度方向, 并沿边缘梯度方向进行非极大值抑制, 以此细化边缘宽度, 最终获取图像边缘。实验结果表明, 相对传统形态学边缘检测算法, 该算法具有更精细的检测结果与较强的抗噪能力。