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航天用光探测器图像传感器技术进展其应用

主题:图像传感器 下载地址:论文doc下载 原创作者:原创作者未知 评分:9.0分 更新时间: 2024-01-04

简介:适合不知如何写阵列图像传感器方面的相关专业大学硕士和本科毕业论文以及关于阵列图像传感器论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料下载。

阵列图像传感器论文范文

图像传感器论文

目录

  1. 图像传感器:<Altera>采用低成本FPGA轻松支持WDR CMOS图像传感器处理功能

目前,世界航天技术发展迅速,全球已有五千多个卫星、飞船、航天飞机、空间站等飞行器进入宇宙空间.在卫星和飞船中装载了各种高性能的光探测器、光图像传感器等,这些器件性能及技术发展对航天应用十分重要.光图像传感器技术包括可见光电荷耦合器件(CCD)、互补性金属氧化物半导体(CMOS)和红外焦平面阵列(IRFPA)技术.这些技术发展迅速,已从可见光和近红外波段的CCD器件发展到了短波、中波和长波IRFPA.

CCD及图像传感器技术

CCD是当今图像传感器的主流技术,也是技术最成熟、应用最广泛的可见光图像传感器.目前,各种星载成像系统大多采用CCD图像传感器技术,线阵常用作多光谱传感器.用多个单芯片拼合起来的时间延迟与积分(TDI)阵列常用作推帚式扫描传感器,在光电图像信息获取、传感与处理中起着极其重要的作用.

发展现状

国外在CCD阵列器件及图像传感器技术和应用方面取得了令人瞩目的成果,CCD阵列器件已商品化,CCD阵列面积、量子效率、读出噪声和读出速率都迅速提高.目前,CCD已实现了高填充率、小像元尺寸和大型阵列.常用单芯片线阵像元集成度已达8000,多芯片像元集成是用二个或多个单线阵芯片组合起来形成数万像元的特长线阵列;TDI阵列已达4096×96的阵列;大型面阵列像元集成度达9126×9126元,而像元尺寸已小至2.8 μ m×2.8μm.灵敏度达几个Lux - Lux-l,采用冷却可达Lux-5 -Lux-7,光学尺寸已小到l/7in..Farchild Imaging公司研制的9216×9216元大面阵全帧转移CCD图像传感器性能参数如表1所示.

进展

除提高CCD阵列器件性能外,国外还不断地推出新技术和新产品.Super CCD技术现已发展到第四代.第四代超级CCD HR大大提高了分辨率,并拓宽了数码相机动态范围.

采用最新开发的Foveon X3全色CCD图像传感器技术,已研制出全球首款全彩图像传感器,由于在每个像元硅晶体中均包含了三层感色物料,可在每个像元点上同时捕捉红、绿和蓝光信号,大大提高了CCD性能,不仅大大简化结构,也使影像层次、清晰度及细致度大为提高.它还采用可即时变化像元大小的可变像元尺寸(VPS)技术,提高了信噪比和拍摄帧速度,并促进了数码相机和数码摄像机的融合.已推出(7.56×504元)×3、 (1134×756元)×3、 (2263×1512元)×3等FoveonX3多层感色CCD.

CMOS器件及图像传感器技术

CMOS是一种新型成像器件,CMOS图像传感器兼有CCD图像传感器性能,在空间成像领域中得到越来越广泛的应用,尤其是在微纳型卫星遥感成像、姿态敏感方面可替代CCD.此外,CMOS图像传感器在红外波段仍具有较大输出响应.因此也可用于红外成像领域.

发展现状

自英国爱丁堡大学试制出世界第一块单片CMOS型图像传感器件以来,已大大提高了灵敏度和分辨率.至今已研制出第一代CMOS无源像元传感器(CMOS-PPS)、第二代CMOS有源像元传感器(CMOS-APS)和CMOS数字像元传感器(CMOS-DPS).

目前CMOS单元面积的像元数已与CCD相当,达到较高分辨率.像元集成度已达4096×4096和6144×6144元阵列;像元尺寸已小至3.3μm×3.3μm;在近红外光谱区(900nm)光电转换效率高达50%;动态范围达到170dB,帧速高达100000帧/秒;功耗仅为50mW.

进展

近年来,随着CMOS集成电路技术的不断进步,以及亚微米和深亚微米工艺技术的发展和器件结构不断改进,CMOS图像传感器技术已日趋成熟.已研制出采用0.25μm和0.18 μm深亚微米技术生产的CMOS图像传感器,并可将图像传感部分、信号读出电路、信号处理电路和控制电路等集成在一块芯片上.

除CMOS-APS技术进展较大之外,国外又开发出Foveon X3全色CMOS图像传感器、CMOS数字像元传感器等一些新技术.

■ CMOS-APS技术

目前,国外很多研究机构都在开发CMOS-APS,大多采用单层多晶硅双层金属布线n阱工艺技术,有的已采用0.5μm工艺技术.APS的噪声抑制技术也取得很大进展,正在提高CMOS-APS的综合性能:缩小像元尺寸,调整CMOS工艺参数,将时钟和控制电路、信号处理电路、模/数(A/D)电路、图像压缩等电路与图像传感器阵列完全集成在一起,并制作滤论文范文和微透镜阵列,以期实现低成本、低功耗、高度集成的单芯片成像微系统.另外,采用SOI CMOS工艺技术还可获得低电压、微功耗的CMOS-APS.

■FoveonX3全色CMOS图像传感器技术

美国Foveon公司还采用0.18μm的FoveonX3全色CMOS工艺技术,研制出(1344×1 024元)×3、 (2304×1 536元)×3等FoveonX3全色CMOS图像传感器,其性能大大提高.

■ CMOS-DPS技术

CMOS-DPS技术是最近几年才开发出来的.该器件的单个像元由光电二极管,模拟数字转换(ADC)、数字存储器和相关双取样(CDS)电路等组成.CMOS-DPS将A/D转换集成在每一个输出数字信号的像元单元里,优点是高速数字读出,无读出或固定图形噪声,功耗更低.

高帧速(10000帧/秒)CMOS-DPS典型性能为:像元数3 52×288,芯片尺寸5mm×Smm;晶体管数3 80万个;读出结构64bit(167MHz);最大输出数据速率>,1.33Gb/s;像元尺寸9.4μm×9.4μm,典型功耗50mW,灵敏度0.107vnux.s-1.

IRFPA及技术

IRFPA是对红外辐射敏感,并兼有信号处理功能的论文范文红外探测器件.IRFPA可满足空间应用苛刻要求,适合于全天候、特别是黑夜条件下的应用等.IRFPA的研究与发展具有重要意义,许多发达国家参与到这场高技术竞争中.其中美国居世界领先水平,西欧的英、法、德、意、荷、瑞典等技术强国都进行了大量的研究.8 - 14mm波段的IRFPA可获得极高的瞬间动态范围,通常为12bits.

发展现状

■高温工作与NETD指数

在空间应用中,要求器件有稳定的性能,不受环境温度变化影响和制约.目前,已投产的PtSi、InSb、HgCdTe和GaAIAs/GaAs光量子类IRFPA,采用致冷器可满足>,77K的工作温度条件.非致冷IRFPA是红外热摄像技术发展的一个里程碑,不仅解决了极低温( -77K)冷却工作的要求,还实现了同一焦平面的大规模或超大规模集成,以VOx为代表的非致冷长波IRFPA技术已实现了长波红外摄像.

目前,NETD最佳性能为O.OIK - 0.005K,光量子类IRFPA的NETD通常在0.1 - O.OIK,320×240和640×480元VOx非致冷IRFPA的NETD分别达到O.Olk和0.025k.萨尔洛夫公司阵列采用Si3N4作绝缘层,NETD可达0.005K.

■高像元分辨率与大型阵列

大幅度提高系统IRFPA探测像元的集成度,是提高系统成像分辨率和目标识别能力的一种重要途径.目前,IRFPA像元分辨率极高,阵列的像元数大大增加,探测器像元集成度>,106元,并发展了各种格式的大型或特大型IRFPA.GaAIAs/GaAs阵列已达到1024×1024元,2048×2048元的PtSi、InSb和HgCdTe与GaAIAs凝视阵列已投产,非致冷1024×1024元阵列也有产品,正在采用拼接技术研制4096×4096元的特大型阵列.像元尺寸也大大缩小,洛克威尔的2048×2048元HgCdTe短波IRFPA像元尺寸18×18μm2,洛克希德·马丁公司的640×480元非致冷阵列为28×28 μm2.

■像元可工作率

目前,像元可工作率已接近100%,洛克威尔的1024×1024和2048×2048位多路传输器已投产,像元可工作率为99.88%,大型凝视HgCdTe IRFPA缺陷像元率在0.3 - 2.5%左右;法国Sofradir的InSb阵列像元可工作率99.5%;PtSi阵列已实现了近无缺陷像元阵列;美国雷声和喷气式推进实验室(JPL)的8-9μm和14-15μm的双色640×486元GaAIAs/GaAs量子阱IRFPA像元可工作率为99.7%和98%,死像元还不到50个.

■ 多色IRFPA

多色IRFPA能同时响应两个或更多波段的光辐射,有很高的探测灵敏度.大部分多色IRFPA都工作在3-5 μm和8-12μm这两个波段.为快速和高精确度地分辨目标,美国加紧发展两色和多色IRFPA,并已取得了显著的进展.多色IRFPA的研制主要集中在GaAIAs/GaAs量子阱阵列方面,雷声和JPL最近研制出640×486元、8-9μm和14-15 μm波段的双色GaAs/AIGaAs量子阱IRFPA,并在双色IRFPA热像仪中已通过评估.JPL等还研发了1024×1024元水平集成四色QWIP阵列,工作温度约为77K,未来将达到120K,像元尺寸20-25 μm.

新技术进展

IRFPA技术的发展主要取决于超大规模集成电路的进展.目前,包括信号处理技术、超高集成度技术、高密度小像元尺寸技术、非致冷技术、多色技术等在内的lRFPA关键技术已有很大进展.

信号处理电路是改善IRFPA性能的最关键技术.IRFPA信号处理电路几乎都是用硅材料制作和硅信号处理电路来实现的.国外已采用硅CCD多路传输器、时间延迟积分CCD、MO论文范文ET、电荷扫描器件(CSD)等电路来实现IRFPA的信号处理.最近越来越多地采用CMOS多路传输器,它不但可实现大型二维凝视IRFPA的大容量高速信号处理,而且提高了阵列的性能.

美国正在发展自适应焦平面阵列(AFPA)技术,由于在每个像元上都采用了有源滤波机构,可获得最大光谱覆盖范围和最佳空间分辨力,可实现从短波红外到长波红外光谱区的自适应工作,并获得单芯片多光谱工作的能力.这种IRFPA可用作光电微系统的信息前端,同时具有超光谱传感器和通用热摄像传感器的特性,使红外热摄像和传感器技术取得革命性的进展.

在航天中的应用

CCD、CMOS、IRFPA器件可组成各种类型的照相机、摄像机、光谱仪、传感器、遥感器等.目前,已广泛用于卫星、飞船等领域.其中应用最多的是包括地球资源卫星、通信卫星、气象卫星、海洋观测卫星、陆地观测卫星、天文探测卫星、导航卫星、侦查卫星、预警卫星及微型(纳米)卫星在内的各种应用卫星.这些卫星应用范围极为广泛,在农业、海洋、地质、环境、灾害等方面都有独特的应用价值.

在这些应用中,可见光~近红外(VNIR)波段是测绘、水深透和特征分辨最重要的光谱区.短波红外波段(S WIR)可提供有关地球表面(土壤、岩石和植物)的大量信息强度对比,对农作物条件分析、气象、天气预报和全球变化有关的科学研究极为重要.短波、中波、长波和更长波长的红外光谱段对军用和航天星际探测具有极为重要的意义.表2为航天应用的图像传感器光谱区.

在卫星群中,CCD图像传感器是最关键的部分,用于资源探测卫星的多光谱遥感器主要采用CCD图像传感器.这种遥感器大多采用线阵CCD,以扫描方式成像,消除了扫描机构,并且大大缩小了遥感器的体积.CMOS图像传感器组装的黑白和彩色摄像机也已用于星系跟踪系统.

在地球资源卫星中的应用

在国内外应用最广泛的是地球资源卫星,它利用所载遥感系统可对地球资源进行勘测,获取地表各类资源的特征及分布情况,对资源开发、国民经济建设极为重要.表3是地球资源卫星应用的领域和适用范围.我国星载CCD相机是2Y-l资源卫星和海洋卫星的有效载荷之一.

在通信卫星中的应用

激光束的捕获、跟踪和瞄准是远距离卫星光通信的核心技术.CCD可用于通信卫星中的信标光探测和高增益高效率的收发天线.CCD光敏面积较大、视场角大,作为广视场搜索探测器可快速、精确的对信号进行捕获、跟踪和瞄准,是保证星际间光通信的核心器件.欧美的粗跟踪位置探测器均选用CCD,典型的粗跟踪的视场角为几mrad,灵敏度约lOpW,跟踪精度为几十mrad,而由CCD组成的光学天线位置角精度<,50μrad,CCD的位置分辨率≤30μm.采用阵列CCD的捕获范围可达±1°~±20°或更大.表4为国外通信卫星中典型的光探测器及参数.

此外,欧洲用一只CCD还可同时完成搜索和跟踪任务,即采用18×16像元CCD,将其中的14×14像元作为搜索探测器,而其中心部分的4个像元同时组成象限探测器作跟踪用,跟踪总精度达到0.3μrad,其中光束和望远镜指向精度达0.07“rad.

在侦查卫星中的应用

光学成像侦察卫星主要通过星载图像传感器来获取地球表面信息.美国已将图像传感器用于KH-1l(地面分辨率为7.5m)、KH-12(地面分辨率-0.Im,可识别卡车和飞机型号)、 “快鸟”空间成像卫星(地面分辨率高达6lcm,可分辨地面行驶的车类型).

图像传感器还用于俄罗斯的阿尔康高卫星(携带的CCD相机全色谱段分辨率为2- lOm,多光谱分辨率为10-45m)、法国的SPOT系列卫星、法国与德国等联合研制的“太阳神系列侦察卫星(采用地面分辨率达Im的可见光CCD相机)、欧洲第3代卫星(可见光遥感器分辨率达到O.lm)及以色列的EROS系列卫星等.

在预警卫星中的应用

美国的DSP、SBIRS、RAMOS等预警卫星上均采用了星载图像传感器.

美国DSP预警卫星上配有由6000个PbS探测元组成的IRFPA,能探测中心波长为2.7μm的红外辐射,而IRFPA末端还固定着一组HgCdTe探测器,能探测到4.3 μ m波段的辐射,对导弹推段和飞行中段都具有很强的探测能力,并能提供25-30分钟的预警时间.

图像传感器:<Altera>采用低成本FPGA轻松支持WDR CMOS图像传感器处理功能

美国SBIRS预警卫星采用2 4 0 0 0个HgCdTe元组成的线阵和面阵列凝视成像IRFPA探测器,在外层空间对弹道导弹助推段的探测能力达300km.

美国RAMOS卫星上装有多谱传感器组件,具有导弹防御和环境监测的双重功能,红外传感器及IRFPA模块可收集与火箭发射有关的图像信息.

在微纳卫星中的应用

目前,完成对地观察任务的纳卫星一般采用以可见光CMOS图像传感器为主的光成像技术.

英国在TMSAT小卫星中采用了分辨率为382×287的CMOS相机模块,在SNAP21纳卫星上装载了3个广角(90.视角)的350×288像元CMOS相机,以及一个小视角350×288像元CMOS相机.

我国清华大学和航天清华卫星有限公司为纳卫星研制的有效载荷CMOS图像传感器的像元尺寸为IOμm×lOμm,像元数为1024×1024,光谱响应范围为0.4 - 1.1 μ m,空间分辨率为114.3m,视场为1论文范文m×117 km.

我国用于高新技术探索试验的“纳星1号” 采用的CMOS相机可对地进行成像试验,CMOS探测器的像元尺寸为10μm×IOμm,像元数为1024×1 024,光谱响应范围为0.4 - 1.1μm,覆盖幅宽1 00公里,分辨率lOOm.我国为神舟7号飞船伴飞的小卫星上装载的CCD立体相机可对飞船进行摄像和照相,已传回1000多幅神舟7号飞船多角度清晰图像.

我国首次月球探测工程嫦娥1号卫星搭载了有线阵推扫的CCD立体相机,采用1024×1 0 24面阵CCD探测器的像元分辨率为120m,可获取月球表面同一目标前视、正视和后视3幅实时图像数据.在国内外首先实现了采用单镜头相机和大面阵CCD探测器获得三维影像.据悉,嫦娥二号卫星上的CCD相机分辨率将提高到lOm.结语

航天技术正在飞速发展,随着光探测与图像传感器不断发展及其性能不断提高,将在航天领域获得更多的应用,并进一步促进航天技术的发展.

总结:本论文为您写阵列图像传感器毕业论文范文和职称论文提供相关论文参考文献,可免费下载。

图像传感器引用文献:

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