CMOS图像传感器(CIS)在空间辐射或核辐射环境中应用时, 均会受到总剂量辐照损伤的影响, 严重时甚至导致器件功能失效。文章从微米、超深亚微米到纳米尺度的不同CIS生产工艺、从3T PD(Photodiode)到4T PPD(Pinned Photodiode)的不同CIS像元结构、从局部氧化物隔离技术(LOCOS)到浅槽隔离(STI)的不同CIS隔离氧化层等方面, 综述了CIS总剂量辐照效应研究进展。从CIS器件工艺结构、工作模式和读出电路加固设计等方面简要介绍了CIS抗辐射加固技术研究进展。分析总结了目前CIS总剂量辐照效应及加固技术研究中亟待解决的关键技术问题, 为今后深入开展相关研究提供理论指导。

为了满足高分辨率红外成像的应用需求, 设计了一种基于微扫描的红外超分辨率成像系统。该系统利用压电陶瓷驱动红外焦平面阵列实现微扫描, 利用CPLD产生压电陶瓷和红外信号的驱动时序, 利用高性能DSP进行实时图像数据的处理, 并将处理后的图像送到LCD进行显示。实验结果表明, 该微扫描成像系统能够实现2×2微扫描方式的超分辨率成像, 有效地突破了红外焦平面阵列单元个数对现有成像系统的分辨率的限制。

介绍了一种基于Wishbone-PCI桥核和Spartan-6系列FPGA的红外探测器注入式仿真系统。重点讨论了基于PCI总线的红外图像注入接口卡的设计与实现以及Wishbone-PCI桥核技术。该系统可以代替红外侦察告警设备的头部探测器将红外仿真图像数据注入到红外告警、红外搜索跟踪等设备的实时信息处理箱, 用来实现对红外侦察告警设备目标探测与目标跟踪功能的验证与仿真。该注入式仿真系统通过将前期红外侦察告警设备采集的红外图像数据与自定义的目标图像相叠加, 注入到实时信息处理箱, 因此该注入式仿真系统具有图像数据真实连续的特点, 能更加真实地模拟现实的场景, 为实时信号处理箱提供真实可靠的数据来源, 有利于加快红外侦察告警设备的研发进程, 缩短系统开发周期。

设计了基于拉曼光时域反射技术的船舶电缆分布式光纤测温系统。为了有效提高信号强度, 系统硬件设计中改进了微弱光信号的探测及放大电路, 并且基于FPGA+DSP高速数据处理模块来加快数据处理速度; 针对拉曼反射信号信噪比低的特点, 系统对采集信号采用数字累加平均与自适应阈值小波滤波相结合的去噪方法, 在改善信噪比的同时缩短了测温时间。实验表明, 设计系统测温距离达4km, 空间分辨率为1.5m, 温度分辨率为0.1℃, 系统响应时间为3.8s, 满足设计要求, 且综合指标优异。

针对运动目标在单帧图像中所占的比例较小, 传统的边缘提取方法在对整幅图像计算时产生大量冗余, 对噪声敏感, 提取出的运动目标轮廓不明显的缺点, 提出了一种基于帧差法和图像分块相结合的运动目标边缘检测方法。该方法首先对序列图像进行差分, 根据分块大小自适应选取阈值对图像进行分块, 完成对运动目标的细分割, 分离出运动区域和非运动区域, 然后对分割出来的运动区域进行边缘检测, 将边缘检测结果和差分结果进行“与”运算, 从而提取出运动目标轮廓。实验证明, 分块边缘检测方法能较为准确地提取出运动目标且能提取出清晰的运动目标边缘轮廓, 能满足实时性需要。

对应用于4×25Gb/s电吸收调制器与DFB激光器集成光源阵列的微波传输线进行了设计。通过有限元法仿真, 确定其最优结构。经优化后, 采用引脚封装的多路传输线在30GHz以内的传输损耗低于0.5dB, 反射系数低于-13dB, 并有效抑制了相邻信道间的串扰。对集成光源阵列的封装方案进行了研究, 提出了一种合理高效的封装方案。

数字微镜器件(DMD)在用于高帧频探测系统的功能和性能测试时, 必须保证DMD能够超高帧频显示图像,而传统的脉冲宽度调制(PWM)方法的显示帧频受限于DMD加载数据所需的最短耗时, 无法满足实际需求。为了解决这一问题, 驱动DMD超高帧频显示高动态范围的图像, 在结合DMD硬件特性和传统PWM理论的基础上, 利用图像叠加背景光显示技术, 提出了一种改进的脉冲宽度调制DMD实现灰度图像显示的方法。适用于8位灰度以上的高动态范围图像的DMD超高帧频显示, 实验表明, 该方法将8位灰度图像的DMD显示帧频提高到1kHz。

为了解决传统LED驱动器引入的电磁干扰(EMI)问题, 提出了一种具有扩频功能的片内振荡器。该电路采用频率扩展技术对时钟进行频率调制, 可有效抑制电磁干扰, 并具有固定频率模式(FFM)和扩频模式(FEM)两种工作模式, 且固定频率时温度漂移小。采用0.18μm BCD进行了工艺仿真, 结果表明: 扩频模式下, 振荡器的中心频率为558kHz, 扩频范围为6.09%, 频率抖动周期为57.8μs, EMI能量降幅高达12dB, 显著降低了电磁干扰, 适用于对电磁兼容(EMC)性能要求很高的特定LED驱动器中。

频域全波形反演能够获得高分辨率的反演结果, 具有较高的计算效率, 因此得到广泛应用。在传统单频点串行反演策略的基础上, 提出一种多频点同时反演策略, 并推导出一种新的目标函数表达式, 应用于频域全波形反演算法中。该策略能够同时反演所有的频率分量, 对于一组频点中的每个频点进行加权求和处理, 从而避免了高频分量在反演结果中占据主导, 同时避免反演结果中存在噪声干扰。分别用三种不同的模型进行验证。实验表明, 相对于传统的单频点策略, 多频点策略的反演结果具有更好的稳定性、正确性和鲁棒性; 而且对于模型中明显介质边界的位置, 它的反演结果更接近于目标模型。

人眼瞳孔大小的检测技术在医学领域具有较大的研究和应用意义。采用图像处理技术开展了瞳孔大小的检测算法研究, 通过对瞳孔图像进行预处理、获取图像处理区域、边缘检测、链码编码算法识别瞳孔边界、改进Hough圆拟合瞳孔及大小计算, 实现了瞳孔大小的检测功能。通过对正常人眼瞳孔图像以及病变瞳孔图像检测的实验分析, 算法实现的瞳孔拟合覆盖率达到85%以上, 检测时间短, 易于在实时系统中应用。

模糊图像边缘的像素特征较为复杂, 一般需要采用多个阈值作为分隔约束条件的方法来进行图像边缘分割, 但是该方法存在诸如多阈值无法形成统一标准、边缘提取过程需要多次校对, 以及效率较低等缺点。提出一种基于多阈值归一化分割的模糊图像边缘分割算法, 通过设计超像素网格对模糊图像边缘特征的像素进行匹配, 分析模糊图像的反调张量信息, 并根据不同张量信息对多阈值进行归一化, 以及采用灰度窗口相关系数匹配方法, 将获得的多阈值归一化结果分别覆盖图中的单一目标对象, 以实现模糊图像的边缘分割。实验表明, 利用该算法进行模糊图像边缘分割能较好地获取图像的边缘细节特征, 使得边缘具有更好的连线段连通性和宽度一致性。

为了提高隐写算法的安全性能, 提出了一种利用无方向性滤波器设计的空域自适应隐写算法。首先, 利用无方向性滤波器对载体图像进行滤波计算, 获得图像中难于被建模检测分析的复杂区域, 然后利用高斯低通滤波器对复杂区域进行平滑处理, 增加嵌入信息区域相邻像素间的相关性, 进而得到损失函数, 最后按照损失函数通过校验格编码完成信息嵌入。抵抗富模型隐写分析实验表明: 当信息嵌入率较小时, 该算法的抗检测性能与S-UNIWARD算法相近; 当信息嵌入率较大时, 该算法优于S-UNIWARD算法。

针对常用光学浊度测量方法容易受背景光影响引起测量误差的问题, 提出了一种基于偏振光的垂直散射式浊度测量方案。利用偏振片的起偏和检偏功能, 实现偏振光的产生与检测, 有效地降低了背景光带来的测量误差。运用低漂移、低噪声的高性能运放电路实现电路系统的驱动与信号处理, 提高浊度的测量精度。实验结果显示, 在不同的背景光条件下, 该浊度仪能够准确测量0~400 NTU浊度范围内的待测溶液的浊度, 且测量精度在5%F.S以内, 表明该浊度仪具有较强的抗干扰能力。

针对具有背景干扰、信噪比低的红外图像, 提出了一种基于帧差法和自适应区域生长的红外运动目标检测方法。首先对红外图像进行了高帽变换, 以抑制大面积背景的干扰, 相邻帧图像间做帧差, 初步提取目标区域; 其次分析了红外目标的特性, 针对其特性提出了一种基于灰度等级的自适应阈值分割方法; 最后以帧差法检测的目标质心为种子点, 以自适应阈值为分割准则, 在预处理后的图像中进行区域生长, 最终实现了红外运动目标的检测。结果表明, 所提算法可抑制大面积背景的干扰, 实现单个和多个红外运动目标的完整提取和检测。

分别采用二氯苯氧乙酸和溴乙酸对ITO表面进行修饰, 研究其对OLED器件(ITO/PVK/ FIrPic∶SimCP/TPBi/LiF/Al)性能的影响。结果显示, 相较于未修饰的器件, 采用二氯苯氧乙酸修饰后的器件最大亮度由673.4cd/m2提升至1875.2cd/m2, 同时器件的启亮电压由6.2V降至5.3V。研究发现, 有机酸处理能够改变ITO的表面能和功函数, 一方面改变ITO和后续膜层的接触性能, 影响后续膜层的成膜; 另一方面也可以有效减少ITO与有机层间的势垒, 提升载流子注入。这种用有机酸修饰ITO阳极的方法工艺简单, 能有效降低空穴注入势垒, 优化ITO和有机层的接触性能, 对器件性能的提升起到一定的促进作用。

p型单晶硅太阳电池在EL检测过程中, 部分电池片出现黑斑现象。结合X射线能谱分析(EDS), 对黑斑片与正常片进行对比分析, 发现黑斑片电池与正常电池片大部分表面的成分相同, 排除了镀膜及丝网印刷过程中产生黑斑的可能。利用X射线荧光光谱分析(XRF)测试了同一电池片的黑斑区域与正常区域, 发现黑斑处Ca含量较大, 并出现Sr、Ge和S等杂质元素。将6个档位的电池片制备成2cm×2cm的电池样片, 利用光生诱导电流测量了每个电池的外量子效率(EQE)。在460~1000nm波长范围内, 同一电池片黑斑处与正常处的EQE相差较大, 说明黑斑的出现与原生硅片缺陷无关, 应归结于电池片生产过程中引入的杂质缺陷。给出了杂质引入的原因以及解决途径, 从而显著减小了黑斑片产生的几率。

为了在线测量微生物燃料电池内溶解氧浓度, 提高微生物燃料电池的产电效率, 利用荧光猝灭原理, 采用邻啡咯啉钌作为荧光标记物, 并采用溶胶-凝胶法制备了氧敏感膜。将该敏感膜固定在塑料光纤表面, 通过测量荧光指示剂发出的荧光强度实现了对溶解氧浓度的测量。实验结果表明, 传感器的相对荧光强度与溶解氧浓度具有较好的线性关系, 拟合系数达到0.9807, 且传感器具有良好的可逆性。

以LED为扩展光源, 提出一种基于照度分布分割与反馈的方法为LED设计非常紧凑的光学自由曲面透镜, 进而设计实现了大距高比(DHR)的直下式背光源。与子光学面联接构成光学面的过程相对应, 总照度分布被分割为子照度分布。通过修正子光学面来调整子照度分布, 使得总照度分布足够接近于目标照度分布, 所需光学面就被构建出来了。该设计过程不依赖于仿真, 简便易行, 适用广泛。作为实例, 一个非常紧凑(透镜的中心高度与LED尺寸相等)的自由曲面透镜被设计出来, 作为直下式背光源的配光透镜。仿真结果表明, 背光源照度分布的均匀度达到了0.91, 相对标准差(RSD)低至0.0202, 总的光能利用率达到了85.5%。

以COB形式封装的白光LED平面光源为研究对象, 系统研究了平面封装结构中荧光层对白光LED平面光源发光特性的影响。采用丝网印刷法制备了不同浓度与印刷层数的荧光层, 并采用平面封装的LED蓝光光源作为激发光源, 以类比法研究分析了不同发光层膜厚对白光平面光源平均照度、色坐标和光通量等参数的影响, 系统地阐述了发光层对平面光源发光性能的决定因素及工艺优化条件。结果表明, 当荧光粉浆料浓度为46%~53.6%, 厚度为20~38μm时, 结合平面蓝光LED激发可以获得照度大、颜色纯正的白光LED光源, 且白光LED平面光源具有较高的光通量值, 表现出优良的光学特性。

微电子机械系统(MEMS)半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点, 能工作在角速度积分模式下, 具有体积小、质量轻、功耗低、成本低、对称性高、Q值高, 以及精度高等优点。文章给出了一种微型半球谐振陀螺的结构, 研究了其工作原理以及检测方法, 设计了一种数字式MEMS半球谐振陀螺仪的角速度积分工作模式方案及其FPGA实现方法, 以完成目前MEMS半球谐振陀螺的角速度积分模式的控制与检测工作。

提出了一种二维三角晶格光子晶体“或非”和“非”全光逻辑门设计。该设计使用空气中的硅介质柱光子晶体材料, 其主体为四根光子晶体波导组成的四端口结构。通过平面波展开法和有限时域差分法计算了其能带结构和光学传输特性, 并对其逻辑功能进行了分析。结果显示, 通过控制光相位, 该结构能够实现“或非”和“非”逻辑功能, 结构尺寸为9.675μm×7.820μm, 响应周期为0.388ps。

合成了三种1,10-邻菲罗啉苯并咪唑衍生物, 即2-苯基(4-溴)-咪唑[4,5-f][1,10]-邻菲罗啉(A1), 2-苯基(4-甲氧基)-咪唑[4,5-f][1,10]-邻菲罗啉(A2)和2-苯基(4-甲基)-咪唑[4,5-f][1,10]-邻菲罗啉(A3)。通过核磁和红外进行了结构表征, 并开展了光物理和化学特性测试。以m-MTDATA为给体, 1,10-邻菲罗啉衍生物为受体制备了有机紫外光探测器件。在光强为1.2mW/cm2的365nm紫外光照射下, 基于器件结构为ITO/m-MTDATA/m-MTDATA∶A3/A3/LiF/Al的优化器件在-10V时的最大光电流密度为89μA/cm2。根据材料性质和器件结构讨论了器件性能的变化。

高速变焦液体透镜在快速移动物体的目标捕捉方面具有重要的应用。高频声波激励方法在理论上能够实现毛细腔边沿(靠表面张力)约束液滴的高速往复运动, 但是相关工艺试验研究是目前该技术成熟应用的关键。文章在对毛细腔贯通液滴共振理论分析的基础上, 基于3D打印技术开发了一种采用双源声波激励毛细腔贯通液滴进行振动的实验装置。在分析能量损失的基础上, 采用激光多普勒测振仪分析了相关工艺参数对毛细腔贯通液滴振动频率和振幅的影响, 总结了相关规律, 为实现高速变焦液体透镜技术的应用奠定了基础。

光纤陀螺光路结构中, Y波导器件与保偏光纤环通过尾纤熔接的方式连接形成闭合回路来敏感系统相对惯性空间的转动信息, 而熔接点引入的偏振交叉耦合以及背向反射是制约光纤陀螺测量精度进一步提高的主要因素。为此, 提出了一种实现保偏光纤环与Y波导芯片直接耦合的方法, 并制作了两者直接耦合的敏感环光路。经实验测试, 光路中Y波导器件的插入损耗典型值为2.7dB, 分光比优于48/52~52/48, 偏振串音优于-30dB, 性能指标与常规的Y波导器件相当。该光路模块理论上有利于减小光纤陀螺系统噪声和提高测量精度。

研究了利用ICP(Inductively Coupled Plasma)干法刻蚀工艺制备长波碲镉汞光导器件过程中刻蚀气体压强对材料电学参数的影响。发现增大气体压强会导致材料的电学性能衰退, 表现为材料的载流子浓度增加、迁移率降低以及电阻率增加。分析认为增大的压强使得材料内部产生了更多的填隙Hg离子, 增强了载流子受到的电离杂质散射作用; 同时材料内部也产生了更多的缺陷, 极化声子散射作用也因此加强。由此解释了在流片过程中出现的某一批次碲镉汞光导器件性能的恶化是该批次器件ICP刻蚀工艺中的气压参数增加所致。

基于光线传输矩阵理论, 研究了含特异材料环形腔内光波光斑半径和相对光强的分布特性。结果表明: 以负折射率材料内部作为起始位置, 光波传输一周后, 子午面和弧矢面光斑半径均较大, 中心光强较弱。当光波离开负材料后, 光斑半径迅速减小, 由于凹面镜的影响, 在其表面又达到极大值, 但较负材料内部光斑半径小很多。当光波传输起始点远离凹面镜后, 光斑半径依次减小, 在两平面镜中心达到最小值, 此时中心光强最大。在此基础上, 分析了负材料长度和介质折射率对光波束腰半径的影响。研究发现, 介质长度对环形腔内子午面和弧矢面的束腰半径影响较小, 但介质折射率对负材料内部束腰半径的影响较大。

在经典力学框架内和偶极近似下, 利用Moriere势把粒子运动方程化为了具有软硬弹簧特性的广义Duffing方程, 利用平均法分析了系统在主共振线附近的运动行为; 对系统的稳定性和弛豫行为进行了讨论, 并导出了系统的临界参数。结果表明, 系统的稳定性与参数有关, 适当调节这些参数, 系统的稳定性就可以得到保证。

提出了一种低复杂度的具有等差数列(AP)特性的准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码构造方法, 该方法结构简单, 节省了存储空间, 可根据实际需要灵活地改变码长和码率。利用该方法构造出的AP-QC-LDPC(4599,4307)码的校验矩阵的每行元素为等差数列, 且公差单调递增, 所以该校验矩阵不含有4环。仿真结果表明: 在误码率(BER)为10-6时, 该AP-QC-LDPC(4599,4307)码比ITU-T G.975中的RS(255,239)码和ITU-T G.975.1中LDPC(32640,30592)码的净编码增益(NCG)分别改善了约2.19和1.48dB, 比基于有限域乘群的eIRA-QC-LDPC(4599,4307)码和QC-LDPC(3780,3540)码的净编码增益分别提高了约0.16和0.2dB。该方法构造的AP-QC-LDPC(4599,4307)码具有更好的纠错性能, 能更好地适应光通信系统的需求。

为分析高空紫外光通信性能, 建立了高空太阳辐射分布模型; 研究了不同波长紫外光的高空散射系数和吸收系数; 考虑太阳辐射的背景光和接收端散粒噪声, 对紫外光直视与非直视链路的损耗和信噪比进行了仿真分析。结果表明: 在高空30km以下, 由太阳辐射产生的背景光远小于接收端散粒噪声; 在7km的高度上280nm的信号光可实现距离为5km、速率为10Mb/s的直视通信和距离1km、速率50kb/s、收发端仰角为20°的非直视通信。直视与非直视通信可以通过选择波长在“日盲区”两端的信号来减小臭氧对紫外光的吸收作用, 提高信噪比; 非直视通信还可以选择“日盲区”波长短的信号来增强散射效应, 改善通信性能。

围绕锗基InAs量子点激光器, 开展了激光器腔面失效及再生的研究。研究并分析了灾变性光学镜面损伤产生的机理及其对激光器腔面的影响, 开展了腔面再生研究, 发展了一套创新性的腔面再生工艺并实现了失效的锗基InAs量子点激光器的再生。根据锗基InAs量子点激光器材料结构设计腐蚀工艺, 通过选择性腐蚀在激光器腔面制备出悬臂结构, 采用细针解理使悬臂结构自然解理, 获得新的激光器谐振腔面, 失效激光器重新工作。对比了激光器失效前和再生后的工作性能, 结果表明因灾变性光学镜面损伤而失效的锗基InAs量子点激光器获得全新的谐振腔面, 锗基激光器器件性能和失效前相当。

文章提出一种使用马赫-曾德尔强度调制器(MZM)产生输入信号的任意倍频信号的方案, 利用该方法不仅可以产生输入信号的偶数倍倍频信号, 还可以产生输入信号的奇数倍信号。通过设置马赫-曾德尔强度调制器的直流偏置点在线性偏置点, 产生了奇数倍信号, 通过设置直流偏置点在特殊的非线性偏置点, 产生了偶数倍信号。通过调节输入信号的幅度, 可以得到想要的高阶倍频信号。理论分析和实验证实了该方案的可行性。

具有Parity-Time (PT)对称性的光学系统是近年提出的一种新型光学结构, 在光开关、光子信息处理器件等方面具有潜在的应用。文章数值研究了局域单PT对称光学系统中基态孤子的存在范围与稳定特性。研究结果表明: 基态孤子存在一临界传播常数, 该传播常数对应线性模下的本征值。孤子的能量随着传播常数的增加而增加, 但随着PT对称势的调制深度的增加而减少。基态孤子在较深和较浅的PT对称势中都能稳定地传输。

基于VCSEL激光器阵列和PIN探测器阵列, 设计和制作了40Gbit/s甚短距离的4通道发射4通道接收并行光收发模块。通过高速电路信号仿真设计, 解决了信号完整性、串扰和电磁兼容等问题; 通过键合金丝长度设计增加了通道带宽。光模块单通道传输速率可达到5Gbit/s, 8通道并行总传输速率达到40Gbit/s, 实现了并行光收发模块高速率、高密度、高可靠性以及小体积设计, 为甚短距离高速数据处理和传输提供了高可靠的多路数据链接。

基于双光束干涉理论和维纳辛钦定理, 推导出宽谱光源干涉特性的表达式并进行了分析。提出了基于迈克尔逊干涉仪光路测量光源自相干函数的方法。在光学设计软件Zemax的混合序列模式下建立了宽谱光源自相干函数测试系统的光路模型, 通过多重结构编辑器对参考光路和测量光路进行了仿真。单独对准直系统进行了仿真, 通过优化使系统的光线准直效果达到最佳。并根据仿真建立的理论模型,从光纤纤芯大小和对准误差这两个角度分析了它们对光线准直系统准直度和整个系统耦合效率的影响, 得到对应的变化规律, 最后通过Origin软件绘制出了相应的变化曲线, 为搭建宽谱光源自相干函数测试系统提供了基础。