高速数字化三维集成式CCD-CMOS图像传感器

为了解决CCD与CMOS工艺兼容性低、互连集成制作难度大,以及芯片间接口匹配和高性能兼备等问题,对CCD器件拓扑结构与像元、CMOS读出电路、三维异质互连集成及高密度引脚封装等技术进行研究,提出了一种1024×256阵列规模的集成式CCD-CMOS图像传感器。该器件实现了CCD信号的高精度数字化处理、高速输出及多芯粒的技术融合,填补了国内CCDCMOS三维集成技术空白。测试结果表明:集成CCD-CMOS器件的光响应和成像功能正常,双边成像效果良好,图像无黑条和坏列,互连连通率(99.9%)满足三维集成要求,实现了集成式探测器件的大满阱高灵敏度成像(满阱电子数达165.28ke^(-)、峰值量子效率达86.1%)、高精度数字化(12bit)和高速输出(行频率达100.85kHz),满足集成化、数字化、小型化的多光谱探测成像系统要求。

基于CCD的激光熔覆熔池平滑度在线监测系统研究

由于激光熔覆过程高温高亮,无法实时准确判断熔覆效果。使用CCD相机结合平滑度监测算法,对不同功率下的熔池形貌进行监测,验证算法性能,判断熔覆效果,同时尝试叶片修复。结果表明:激光功率过大或者扫描速度过慢,均会导致熔池边缘平滑度较差,进而认为熔覆参数不合适;为防止熔坏基材,可根据监测效果及时停机;发现激光功率与熔池边缘平滑度呈负相关。

基于行过扫数据降低大面阵CCD图像噪声算法研究

针对全帧转移大面阵电荷耦合器件(CCD)多帧图像数据随时间漂移的现象和测试电路引入的噪声,导致无法准确评估CCD器件的参数,文章提出一种基于行过扫数据校正算法。行有效像元数据与对应行垂直过扫数据同时输出,通过有效像元数据减去垂直过扫数据均值,对图像数据漂移的现象进行抑制。测试电路中模拟模块与数字模块同时作用于单行有效像元数据与垂直过扫数据,通过有效像元数据减去垂直过扫数据均值,消除测试电路引入的噪声。实验结果表明,经过该算法校正后的器件读出噪声减小了20%,暗场差值图像中超过15e^(-)和25e^(-)的比例减小了25%。该算法适用于大面阵CCD器件,可校正测试系统引入的测试误差,提高全帧转移大面阵CCD器件测试效率。

高光谱紫外辐照度仪CCD电路系统的设计及测试

为了在地面获得高信噪比的太阳直射紫外光谱辐照度,选用紫外敏感型线阵CCD探测器,研发了高光谱紫外辐照度仪原理样机。设计了CCD电路系统,讨论了电源电路、驱动电路、模拟前端电路以及CCD驱动时序的工作原理与设计方法,并在实验室利用标准灯光源测试了CCD电路系统的非线性和信噪比。结果表明,在340 nm波段下,CCD探测器接收信号约为饱和信号的80%时,系统信噪比超过400。最终,将测试好的CCD电路系统与光机模块装调并进行了波长定标,光谱范围覆盖280~400 nm,实现了对室内光源的紫外高光谱测量,验证了CCD电路系统设计的合理性和可行性。

CCD/EMCCD光电参数测试系统的设计与应用

本文开发了一种用于测量CCD和EMCCD(电子倍增CCD)芯片光电参数的测试系统。该测试系统通过自动模式或手动模式间的切换,测量器件的暗电流、读出放大器的响应度、电荷转移效率、电荷容量和其他参数。该测试系统可以针对不同规格和结构的CCD/EMCCD器件,实现CCD晶圆或封装好的成品的参数测试,实现576×288、640×512、768×576、1024×1024、1280×1024 CCD/EMCCD的测试和筛选。

偏振-微光一体化EMCCD相机的设计与开发

多维度的信息获取是微光夜视探测技术未来的发展方向,偏振成像是光电探测领域中的一种维度,偏振相机的研制是研究偏振成像技术的前提。基于集成偏振阵列结构的电子倍增CCD(electron multiplying CCD, EMCCD)器件,集合EMCCD微光探测的优势和偏振维度的探测功能,论述了偏振-微光一体化相机的硬件电路设计和开发方案,完成偏振维度信息与光强度信息一机同步采集作业,并通过FPGA对原始数据进行偏振运算与图像传输处理。搭建测试系统,对设计与开发的偏振样机进行性能测试。实验结果表明,在温度273 K、读出频率2 MHz条件下,器件的读出噪声为8.81e-,动态范围约为74 dB,样机的消光比可达50.95,透过率可达60.16%,并可实时地选择性输出偏振度图像、偏振角图像、光强度与偏振融合图像,极大地提高了夜间环境下对目标的识别探测能力。

连续激光辐照面阵CCD串扰现象时空分布特性

研究了532 nm连续激光辐照面阵CCD串扰现象的时空分布特性。以CCD垂直传输沟道的最上游、中游、最下游三个部位作为典型辐照部位。研究结果表明,激光辐照CCD垂直沟道方向上不同位置,不会影响主光斑出现的时序,只要连续激光开始辐照时刻或结束辐照时刻在读出转移动作之前,主体信号电荷将形成干扰图像中的主光斑;但辐照部位对串扰线的时空分布具有重要影响。串扰线长度和空间分布位置,在激光结束辐照于读出转移时刻之前时,与携带溢出电荷的垂直传输势在读出转移时刻到达的位置有关;在激光结束辐照于读出转移时刻之后时,与获得溢出电荷的垂直传输势阱对应的绑定像素位置有关。研究结果进一步完善了连续激光对面阵CCD成像器件的干扰效应研究。

一种基于CCD的卷绕机对齐度测量补偿方法

采用CCD实现电芯对齐度检测,设计了一种动态补偿的方法,解决了卷绕机电芯生产过程中因为电芯多层卷绕厚度变化,导致图像成像解析度变化测量结果产生偏差的问题。通过实际验证,结果表明该方法能够有效地提升CCD测量结果同三次元的相关性,将GRR提升到10%以内。

基于CCD图像处理的智能车系统设计

随着科技革命和产业变革的蓬勃发展,汽车智能化成为一种发展趋势。其中,道路自动识别是汽车智能化的重要特征,是当前的研究热点。基于此,以TSL1401型CCD和STC16F40K128单片机为目标系统,将图像数据处理技术应用于四轮小车的寻迹行驶,并以一套模拟道路验证系统的道路自动识别和轨迹引导功能。实验结果表明,四轮小车能够识别环岛、十字路口、三角路口等情况,识别结果能够引导小车快速运行。

纳秒脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属液-固相变时间特性研究

从理论仿真计算方面开展了脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属温升变化的液-固相变时间特性研究。通过傅里叶热传导方程计算仿真了纳秒激光诱导CCD探测器铝层金属材料的温升曲线,获得了铝层金属材料液-固相变起始时刻和液-固相变时间长度随激光脉冲峰值功率和激光入射角度的变化规律。理论计算结果表明,随着入射激光脉冲峰值功率增加,激光诱导CCD探测器铝层表面的最高温度逐渐升高,铝层材料的液-固相变起始时刻往后延迟,且液-固相变时间长度增加;随激光入射角度的增大,铝层表面的最高温度逐渐降低,液-固相变起始时刻不断前移,而液-固相变时间长度逐渐变短。研究结果表明,激光脉冲峰值功率密度和激光入射角对激光诱导CCD探测器的液-固相变时间特性有重要影响,对揭示纳秒激光诱导CCD探测器的热损伤机制有重要的理论意义。

激光入射角度对CCD探测器损伤特性的影响

开展了激光入射角度对高重频纳秒激光诱导CCD探测器损伤特性研究。通过傅里叶热传导方程理论计算了CCD探测器表面的温升曲线,发现随着激光入射角度变大,激光辐照区域中心点位置的最高温度逐渐降低,且液-固相变凝固时间缩短,降低了CCD探测器的损伤可能。实验结果表明,随着入射激光功率的增加,激光诱导CCD探测器表面损伤形貌的横向尺寸和纵向尺寸都逐渐变大。随着激光入射角度变大,激光诱导CCD探测器形貌损伤面积增大,并且形貌损伤阈值增加。这是由于激光入射角度增大导致了CCD探测器表面辐照的激光光斑面积变大,使探测器表面的激光功率密度降低,从而造成CCD探测器的激光损伤阈值增大。

南京大学65 cm反射式望远镜CCD相机的性能研究

2021年6月,使用南京大学本科实验教学的65 cm反射式望远镜系统,对其后端的电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)的性能采用圆顶平场法进行了实际测定,得到了CCD相机的快门函数;同时用平场序列曝光,检测了CCD相机的线性。CCD相机的读出值从0到61900模数转换单位(Analog-Digital Unit,ADU)非线性小于1%,同时CCD相机的增益为1.02e^(-)/adu,读出噪音为13e^(-)。但对于恒星这样的点光源的观测,当像元的数值高于38000 adu时产生溢出。因此,在使用本CCD相机做点光源观测研究时,需要选择恰当的曝光时间,避免星像溢出。实际天文观测中,利用此研究得到的快门函数可以对观测图像进行校准,有效提高测光精度。

大动态高灵敏1024×1024 EMCCD研制

随着硅材料质量的提升和半导体工艺技术的发展,低温制冷下电荷耦合器件(CCD)的暗电流已经可以忽略,此时放大器成了主要的噪声源,限制了对微弱信号的检测。采用电子倍增技术,通过对电荷包在进入输出节点前进行放大,可有效抑制放大器的噪声。然而,电荷包放大后容易饱和,会限制器件的动态范围。本研究采用浮置栅放大器对电荷包进行无损检测。根据检测结果,大的电荷包直接输出,小的电荷包通过电子倍增放大后再输出,获得高灵敏度的同时兼顾了大的动态范围。根据实际测试结构,在10^(-4)Lx光照下得到了良好的微光成像效果,同时动态范围可达15万倍。

1024×1024元帧转移纵向抗晕CCD图像传感器

帧转移电荷耦合器件(FTCCD)主要应用于可见光信号探测,其在强光应用场合容易出现光晕现象。针对该问题,研制了帧转移纵向抗晕CCD图像传感器,该器件阵列规模为1024×1024元,像素尺寸为12μm×12μm。为了实现纵向抗晕功能,采用了n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底结构,纵向抗晕倍数为200倍,器件满阱电子数为大于等于200 ke^(-),读出噪声小于等于80 e^(-),动态范围大于等于2000∶1。

CCD电荷转换因子通用测试方法研究

通过分析电荷耦合器件(CCD)图像传感器光电转换、电荷转移、电荷输出的工作原理,提出了一种通用高效的电荷转换因子(CVF)测试方法。该方法采用在CCD感光区域施加直流偏压,水平区施加连续转移的驱动时序的方式,使CCD光敏区以电荷溢出方式往水平区转移电荷,水平区以固定频率不间断转移输出电荷包,从而让CCD输出强度恒定的响应信号;然后通过复位漏电流与输出信号强度的对应关系计算出CCD器件的CVF值。根据该方法的原理设计了一种适应各种CCD器件的通用测试装置,并对多款CCD进行测试验证。结果表明,该方法有效提高了CCD电荷转换因子的测试效率、测试精度和稳定性。

基于信息熵理论的BP-ANN结合CCD-RSM优化黄连-黄柏提取工艺研究

目的基于熵权法结合星点设计-效应面法(CCD-RSM)和误差反向传播人工神经网络(BP-ANN)建模优化黄连-黄柏的提取工艺。方法采用HPLC测定表小檗碱、黄连碱、巴马汀、小檗碱的含量,应用UV测定总生物碱的含量,并计算提取量。采用信息熵理论对上述5个指标的的提取量与干膏得率进行综合评分,以CCD-RSM的13组数据作为训练数据,采用BP-ANN进行建模及分析,以综合评分作为考察指标,仿真模拟预测黄连-黄柏最佳提取工艺参数。结果最佳提取工艺为加11倍量水煎煮2次,每次煎煮95 min,此时综合评分达到最大值106.41。结论BP-ANN建立的数学模型具有良好的预测性,优化的提取工艺高效、稳定、可行。

基于便携式实验室的线阵CCD驱动实验设计

在新工科及OBE教育新理念的背景下,为了提高学生的实践能力,缓解专业实验室资源有限与学生日益增长的使用需求之间的矛盾,促进实践教学质量提升,基于一款口袋实验板开展了便携式实验室的探索与实践。基于EPM240T100C5设计了TCD1206驱动电路,并通过虚拟仪器和物理仪器进行验证与对比,结果表明该实验系统具有体积小、使用灵活方便的特点,满足设计需求。该实验系统可为建立便携实验室与开放实验室提供参考,满足学生参加各类竞赛的需求,同时也可为线上开展实践教学以及理论与实践的深度融合提供参考与借鉴。

基于CCD成像的油管螺纹参数自动化检测技术

针对现有油管螺纹人工检测效率低的问题,提出将CCD视觉成像技术应用于油管螺纹参数检测中。搭建了螺纹检测所需的成像系统,对成像光学器件进行了选型;根据检测标准要求建立了螺纹参数提取算法,开发了参数提取程序与结果显示的人机界面;研制了检测装置样机,对27/8与31/2油管进行了现场试验。结果表明:基于CCD成像技术的油管螺纹检测技术可获得较高质量的螺纹图像,实现螺纹螺距、齿高与锥度的提取与自动化检测,检测效率与精度高,满足现场油管螺纹自动化检测的要求。

线阵CCD辅助探测天幕阵列弹丸位置解析模型

针对典型光电测试系统存在的探测光幕结构复杂,测量精度较低,靶场布设困难的问题,提出了基于探测天幕和线阵电荷耦合器件(CCD)结合测量弹丸位置的方法;根据弹丸穿过探测天幕阵列和线阵CCD的时间和图像信息,结合探测天幕阵列和线阵CCD的空间几何关系,建立了弹丸位置的计算模型;按照误差传递理论,建立弹丸位置参数的全微分误差模型,仿真分析得到弹丸位置参数的误差分布在3.5 mm之内;通过弹丸位置测试试验,与纸板靶法测量弹丸坐标进行对比,误差均小于5 mm,验证了提出的测量系统的准确性和可行性。

大功率激光对CCD探测器损伤研究

针对大功率激光辐照可见光成像探测器损伤机理,开展了1080 nm波段大功率连续激光对CCD探测器损伤模型仿真与实验研究。首先,基于CCD典型结构及各层材料特性,建立了连续激光对CCD探测器热效应损伤模型,仿真模拟了CCD各层瞬态温度场和应力场,分析了连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律;其次,开展了连续激光对CCD探测器损伤实验,获取了CCD损伤阈值,并利用金相显微镜、扫描电镜对CCD探测器各层熔融情况进行了分析;最后,对模型仿真与损伤实验结果进行了对比,并分析了损伤阈值存在差异的原因。结果表明,1080 nm连续激光辐照可见光CCD探测器400 ms时的仿真损伤阈值为1.45×10^(6)W/cm^(2),实验损伤阈值2.13×10^(6)W/cm^(2),误差约为31.9%。仿真与实验结果对探究大功率激光辐照CCD探测器损伤机理、评估干扰效果具有一定的参考意义。