新型高像素密度高成像質(zhì)量成像器件研究

半導(dǎo)體成像器件是現(xiàn)代信息技術(shù)中的核心器件之一，有廣泛的應(yīng)用與巨大的市場。目前主流成像技術(shù)的進展主要集中在工藝改進和電路設(shè)計上，本項目從器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度，原創(chuàng)性地提出一種以單個浮柵晶體管構(gòu)成像素單元的新型成像器件。主要研究內(nèi)容包括：采用標準集成電路制造工藝，完成原型成像器件的設(shè)計與制備，獲得具有基本光電成像功能的器件。系統(tǒng)測試分析成像器件的光學(xué)-電學(xué)性能，探索器件的多種工作模式，深入分析獲得器件光電轉(zhuǎn)換過程所對相應(yīng)的物理機制。根據(jù)器件的基本特性與物理原理，提出器件單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化與陣列集成方案。本項目研究了實現(xiàn)超高像素密度和高成像質(zhì)量的可見光成像芯片的器件制備方案與器件工作機制，為可見光成像芯片的發(fā)展提供了新的理論設(shè)計依據(jù)與技術(shù)解決方案。同時給出了器件集成的方法，并研制了100萬像素成像芯片，實現(xiàn)了成像，驗證了該技術(shù)的可行性。該技術(shù)在國防、科研、民用等多個領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。

半導(dǎo)體成像器件是現(xiàn)代信息技術(shù)中的核心器件之一，有廣泛的應(yīng)用與巨大的市場。目前主流成像技術(shù)的進展主要集中在工藝改進和電路設(shè)計上，本項目從器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度，原創(chuàng)性地提出一種以單個浮柵晶體管構(gòu)成像素單元的新型成像器件。主要研究內(nèi)容包括：采用標準集成電路制造工藝，完成原型成像器件的設(shè)計與制備，獲得具有基本光電成像功能的器件。系統(tǒng)測試分析成像器件的光學(xué)-電學(xué)性能，探索器件的多種工作模式，深入分析獲得器件光電轉(zhuǎn)換過程所對相應(yīng)的物理機制。根據(jù)器件的基本特性與物理原理，提出器件單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化與陣列集成方案。本項目探索實現(xiàn)超高像素密度和高成像質(zhì)量的可見光成像芯片的器件制備方案與器件工作機制，為可見光成像芯片的發(fā)展提供新的理論設(shè)計依據(jù)與技術(shù)解決方案。

“成像器件”是天文學(xué)專有名詞。來自中國天文學(xué)名詞審定委員會審定發(fā)布的天文學(xué)專有名詞中文譯名，詞條譯名和中英文解釋數(shù)據(jù)版權(quán)由天文學(xué)名詞委所有。

中文譯名成像器件

英文原名/注釋image-forming device

電阻抗成像注入電流電阻抗成像（ACEIT）

注入電流電阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究歷史最長的成像方法。許多早期的文獻將之稱為電阻抗成像（EIT），后來隨著各種成像方法的提出，有些學(xué)者為了將它與其他激勵方式的電阻抗成像區(qū)分開來，故將之命名為注入電流電阻抗成像（ACEIT）。后來EIT概念的外延增大，表示所有的電阻抗成像。相對于其他方式的電阻抗成像而言，ACEIT起步較早，研究得比較充分。

ACEIT的原理是，根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻抗，通過電極給人體施加小的安全驅(qū)動電流/電壓，在體外測量電壓/電流信號，并依據(jù)相應(yīng)的快速重組算法重建人體內(nèi)部的電阻抗分布或其變化的圖像。

不同的電流注入模式使成像區(qū)域內(nèi)部形成的電流分布不同，測量靈敏度不同，采集信號的信噪比不相同，最終成像質(zhì)量也不同。常見的注入電流模式主要包括：臨近驅(qū)動模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入電流模式（opposite method）和自適應(yīng)注入電流模式（adaptive method）等。

電阻抗成像感應(yīng)電流電阻抗成像（ICEIT）

感應(yīng)電流電阻抗成像的原理是，它在被測目標的外圍放置若干個激勵線圈，對其施加交變電流，在空間產(chǎn)生交變磁場，從而在被測目標內(nèi)激勵出感應(yīng)電流。測量被測目標表面電極間的電壓差，并用此數(shù)據(jù)重構(gòu)電導(dǎo)率擾動的分布，從而進行目標區(qū)域電導(dǎo)率的動態(tài)成像。

電阻抗成像磁共振電阻抗成像（MREIT）

針對常規(guī)電阻抗成像方法只能測量成像目標區(qū)域外周邊信息的問題，加拿大多倫多大學(xué)的Zhang于1992在其題為“Electrical impedance tomography based on current density”的碩士論文中提出將EIT與磁共振電流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）結(jié)合的磁共振電阻抗成像方法。

磁共振電阻抗成像技術(shù)（MREIT）就是一種把磁共振成像技術(shù)（MRI）和EIT技術(shù)結(jié)合起來的新型阻抗成像技術(shù)。MREIT技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)在于磁共振能夠檢測注入電流激勵磁場沿磁共振主磁場方向的分量。利用這一原理，就能夠測量得到注入電流在成像目標內(nèi)部激勵的磁場分布，進而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以計算得到注入電流在成像目標內(nèi)的電流密度分布，再結(jié)合成像目標邊界電壓分布，利用特定算法就能夠重建成像目標體的阻抗分布，這就是MREIT技術(shù)的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感應(yīng)電流磁共振電阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），將非接觸概念引入磁共振電阻抗成像方法。采用外部非接觸線圈代替電極，將被測物放置于設(shè)計的幾何中心位置，線圈通電后被測物處于交流一次磁場中，該一次磁場在被測物內(nèi)部感應(yīng)生成渦流產(chǎn)生二次磁場。二次磁場可由MRI設(shè)備測得，其中包含足夠的信息用來重建圖像。

電阻抗成像磁感應(yīng)成像方法（MIT）

ICEIT采用電極測量成像目標體表面電壓，依然存在因貼放大量電極而浪費時間和處理極不方便等困難。為此，Korjenevsky等人提出激勵和測量全部采用線圈的非接觸方式，通過測得的表面磁場重建電導(dǎo)率分布的磁感應(yīng)成像方法（MIT）。應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的磁感應(yīng)成像方法的研究始于1993年，英國Swansea大學(xué)的Al-Zeibak等首次報道了用于醫(yī)學(xué)的MIT實驗系統(tǒng)，能夠通過重構(gòu)圖像區(qū)分出脂肪與脫脂組織的輪廓和幾何尺寸。

MIT的基本原理是，激勵線圈產(chǎn)生頻率的交變磁通密度，將成像目標體置于激勵磁場中，成像目標區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦旋電場，由于區(qū)域內(nèi)部包含導(dǎo)電介質(zhì)，因此產(chǎn)生渦旋感應(yīng)電流，該渦流同時會產(chǎn)生二次感應(yīng)磁通密度并能改變原激勵磁通密度的強弱和空間分布，在接收線圈上可以檢測到相應(yīng)的感應(yīng)電壓。通過檢測到的測量線圈的感應(yīng)電壓的變化可以間接地反映導(dǎo)體的電導(dǎo)率分布，進行圖像重構(gòu)。由理論分析可知，二次感應(yīng)磁通密度的實部由位移電流引起，與導(dǎo)體的介電常數(shù)有關(guān)，虛部由渦旋電流感生，與導(dǎo)體的電導(dǎo)率近似成線性關(guān)系。

電阻抗成像電磁阻抗成像（EMIT）

Levy等人提出了一種成像技術(shù)叫電磁阻抗成像（EMIT），既測量EIT的邊界電壓，又通過線圈記錄外部磁場。他們通過數(shù)值模擬得出結(jié)論，附加的一小部分磁場的測量可以減小EIT問題的條件數(shù)，即改善了問題的病態(tài)性。

電阻抗成像電場電阻率成像（EFT）

還有另外一種完全非接觸電阻抗成像方法——電場電阻率成像（EFT）[90]。這種成像方法采用與成像體非接觸的電極激勵交變電場，激勵電極在成像目標體近表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而在遠離電極的一面產(chǎn)生相反電荷，使得測量電壓和激勵電壓之間的相移攜帶有成像目標體電阻率特性信息，進而可以建立相移與電阻率的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此重構(gòu)出成像體電阻率分布圖像。

電阻抗成像磁探測電阻抗成像（MDEIT）

磁探測電阻抗成像（MDEIT）通過貼在成像目標體的成對電極，向成像目標體注入一定頻率的交變電流，然后用某種形式的接收裝置，例如感應(yīng)線圈、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等，測量注入電流在成像目標體外產(chǎn)生的磁場，根據(jù)表面磁場的反問題求解獲得產(chǎn)生磁場的電流分布，進而從電流分布重構(gòu)出電導(dǎo)率分布圖像。

綜上所述，電阻抗成像（EIT）主要包括注入電流電阻抗成像方法（ACEIT），感應(yīng)電流電阻抗成像方法（ICEIT），磁共振電阻抗成像方法（MREIT）和電磁阻抗成像（EMIT），磁感應(yīng)成像方法（MIT），電場電阻率成像方法（EFT）和磁探測電阻抗成像（MDEIT）。它們的激勵方式和傳感接收方式各不相同，見表1。

表1 EIT各種方法的激勵和傳感方式的比較

空氣霧幕投影成像是一種全新的空氣成像設(shè)備。該設(shè)備是利用海市蜃樓的成像原理借助空氣中存在的微粒將光影圖像呈現(xiàn)。使用一層很薄的水霧墻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的投影幕，使您能在該屏幕影像中隨意穿梭，達到真人可進入視頻畫面的虛幻效果。使用霧化設(shè)備產(chǎn)生大量人工霧，結(jié)合空氣流動學(xué)原理而制造出來的能產(chǎn)生形成平面霧氣的屏幕，再將投影設(shè)備投射在該屏幕上，便可以在空間中形成虛幻立體的影像，形成一種三位空間立體圖像，給人一種新的立體視覺享受，其影象給人的感受如同人行畫中，畫在人中，亦真亦幻，如置身仙境身處瑤池般。忽隱忽現(xiàn)，神秘誘人的特性開發(fā)一些令人稱奇的展示項目。在迷茫的霧屏上，放映如幻似真的神話故事。將帶給觀眾前所未有的視聽體驗。