專利名稱：主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合體制陣列光電探測技術(shù)，尤其涉及一種可同時對目標(biāo)物主動探測與被動探測的復(fù)合體制陣列式傳感技術(shù)，屬于光電傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
陣列式光電傳感器主要由光電探測器陣列及其讀出電路組成，其中光電探測器通常采用PIN或APD結(jié)構(gòu)。通過二維的探測器陣列可對目標(biāo)物進(jìn)行成像，根據(jù)成像系統(tǒng)中傳感器與主動光源發(fā)光時刻的相關(guān)性,又可將其分為主動成像與被動成像兩類。其中主動成像傳感器已廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)等領(lǐng)域，其特點(diǎn)是陣列中每一個探測器能夠同時測量目標(biāo)物的距離與回波峰值強(qiáng)度，因而能夠在一次測量中獲得目標(biāo)物表面的三維信息與反射強(qiáng)度信息，但是由于受到激光功率等條件的限制其一般作用距離較近，且視場小不利于大視場 中的目標(biāo)探測；被動成像傳感器主要應(yīng)用于可見光或紅外光的被動成像領(lǐng)域，其特點(diǎn)是視場較大，作用距離較遠(yuǎn)，且可提供不同波段的色彩信息，然而無法提供目標(biāo)物的距離信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的光電傳感器技術(shù)存在的作用距離較近、視場較小以及無法提供目標(biāo)物的距離信息的問題，進(jìn)而提供了一種主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，包括主動探測單元和被動探測單元，所述主動探測單元用于探測主動探測光信號的時間量及光強(qiáng)度，所述被動探測單元用于被動探測光強(qiáng)度或主動照明下的光強(qiáng)度，所述主動探測單元與所述被動探測單元通過交錯排列形成復(fù)合體制的探測器陣列。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過將具有主動測距與測回波峰值強(qiáng)度的主動探測單元與測被動灰度的被動探測單元復(fù)合于同一傳感器上，能夠同時進(jìn)行主動光電探測與被動光電探測，可實(shí)現(xiàn)在同一傳感器上同時得到主動光電成像與被動光電成像，并兩類成像數(shù)據(jù)中各分視場對同一視場規(guī)律分割，具有較大的作用距離和視場并且能夠提供目標(biāo)物的距離信息。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。圖I是本發(fā)明實(shí)施例一中主動探測單元與被動探測單元的排列方式示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中主動探測單元的讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例一中被動探測單元的讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例二中主動探測單元與被動探測單元的排列方式示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本具體實(shí)施方式
提供了一種主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，主動探測單元I和被動探測單元2，主動探測單元I用于探測主動探測光信號的時間量及光強(qiáng)度，被動探測單元2用于被動探測光強(qiáng)度或主動照明下的光強(qiáng)度，主動探測單元I與被動探測單元2通過交錯排列形成復(fù)合體制的探測器陣列。實(shí)施例一本實(shí)施例中可采用HgCdTe材料的APD結(jié)構(gòu)制成復(fù)合體制光電探測器陣列，通過分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)工藝加工制成。該類型光電探測器的相應(yīng)波段為3um-5um,可在大氣傳輸窗口內(nèi)傳輸。根據(jù)APD響應(yīng)速度快,光電增益高的特性,在合適的偏壓下該探測器可達(dá)的增益為 100，信號帶寬可達(dá) GHz，因此可滿足窄激光脈沖主動探測需求同時也可用于被動光電探測。根據(jù)現(xiàn)有工藝加工手段可將該APD像素制成小于50um尺寸。由于HgCdTe材料光電響應(yīng)特性需要工作溫度為 77K，因此該探測器需在液氮制冷下工作。探測器陣列中主動探測單元I與被動探測單元2為相同探測器，通過連接不同讀出電路單元可分別實(shí)現(xiàn)主動探測與被動探測功能，以8X8陣列為例，兩者的排列方式如圖I所示，主動探測單元I被分布在陣列的四角，被動探測單元2分布在陣列內(nèi)部，因此即可主動測量得出目標(biāo)物距離骨架點(diǎn)，又不破壞被動成像面陣的完整性。其中讀出電路(ROIC)為采用CMOS工藝的集成電路，該單元電路面積與探測器尺寸相匹配，ROIC與探測器陣列采用In凸點(diǎn)倒焊工藝相連接，每個探測器單元對應(yīng)一個ROIC單元。ROIC單元分為主動讀出單元與被動讀出單元兩類，分別與探測器陣列中主動探測器與被動探測器相對應(yīng)。其中主動探測單元I的讀出電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，反向偏置電壓Vb加置于偏置電阻3之上,該偏置電阻可將HgCdTe APD 4輸出的光電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號。一個高增益高速放大器5可將探測器輸出的微弱脈沖電壓信號放大，用于后續(xù)比較器7檢測光電脈沖。當(dāng)放大后的探測器信號高于某閾值電壓Vth時，比較器翻轉(zhuǎn)并被鎖存器8保存。鎖存器輸出控制采樣保持電路對一個時間基電壓斜坡信號進(jìn)行采樣，因此該采樣電壓與時間成正比，可以通過此電壓將回波脈沖返回時間記錄并保存。這個斜坡電壓信號由一個時控斜坡發(fā)生器6產(chǎn)生，斜坡上升快慢決定了主動測距的范圍，斜坡上升越快測距范圍越小而距離精度則越高，反之亦然。被動探測單元的讀出電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，HgCdTd APD探測器的偏置方式與主動讀出電路相同，但是讀出電路采用了電容跨阻放大器(CTIA)，它由跨導(dǎo)放大器(OTA) 12、積分電容(Cint) 13、復(fù)位開關(guān)14組成，Cint通常選用pF級電容，控制電路產(chǎn)生的噪聲。該CTIA放大器可實(shí)現(xiàn)在 IOus時間內(nèi)對APD探測器輸出信號進(jìn)行積分放大，當(dāng)完成一次放大后，通過采樣保持電路15保持，同時通過復(fù)位開關(guān)14對Cint 13進(jìn)行復(fù)位，以供下次放大采樣讀出。這種積分型讀出電路具有噪聲低、動態(tài)范圍大的特點(diǎn)，能夠滿足高精度被動成像需要。
這種復(fù)合體制光電探測器陣列的工作方式如下，通過一個激光器向目標(biāo)物發(fā)射一個窄激光脈沖，脈寬為10ns，激光波段為4um。經(jīng)目標(biāo)物反射與大氣傳輸，反射脈沖被接收裝置中光學(xué)系統(tǒng)接收并輻射至探測器陣列上，此時主動探測單元將讀出反射脈沖到達(dá)時亥IJ，當(dāng)檢測到反射回波后，進(jìn)行IOns延時開始啟動被動讀出單元進(jìn)行被動熱輻射強(qiáng)度讀出。各探測器單元讀出數(shù)據(jù)最終可被行列選通的方式讀出至傳感器片外。實(shí)施例二本實(shí)施例 與實(shí)施例一的不同點(diǎn)在于，光電探測器為Si APD結(jié)構(gòu)，該類型光電探測器的特點(diǎn)是響應(yīng)在可見光波段，并且在常溫下工作。通過濾色片可將被動探測單元分為藍(lán)、綠、紅三類，以8X8陣列為例，被動探測單元與主動探測單元的排列方式如圖4所示，其中紅色被動探測單元(R) 17、藍(lán)色被動探測單元(B) 18、綠色被動探測單元(G) 16與主動探測單元(D) 19為等比例交錯排列。這種排列方式可得分辨率較高的主動與被動成像。采用本具體實(shí)施方式
提供的技術(shù)方案，通過將具有主動測距與測回波峰值強(qiáng)度的主動探測單元與測被動灰度的被動探測單元復(fù)合于同一傳感器上，能夠同時進(jìn)行主動光電探測與被動光電探測，可實(shí)現(xiàn)在同一傳感器上同時得到主動光電成像與被動光電成像，并兩類成像數(shù)據(jù)中各分視場對同一視場規(guī)律分割，具有較大的作用距離和視場并且能夠提供目標(biāo)物的距離信息。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，包括主動探測單元和被動探測單元，所述主動探測單元用于探測主動探測光信號的時間量及光強(qiáng)度，所述被動探測單元用于被動探測光強(qiáng)度或主動照明下的光強(qiáng)度，其特征在于，所述主動探測單元與所述被動探測單元通過交錯排列形成復(fù)合體制的探測器陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，其特征在于，所述探測器陣列采用兼容工藝的主動探測單元與被動探測單元加工于同一探測器陣列上或兩者不同工藝下獨(dú)立探測器單元拼接而成的陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，其特征在于，所述主動探測單元還用于將目標(biāo)物根據(jù)主動光源的回光信號作為觸發(fā)信號，采用脈沖測距或連續(xù)波相位測距方法探測目標(biāo)物與所述主動探測單元之間的距離，以及探測所述目標(biāo)物對所述主動光源的反射強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，其特征在于，所述被動探測單元還用于響應(yīng)單波段或多波段光信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任意一項(xiàng)所述的主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，其特征在于，所述主動探測單元與所述被動探測單元用于同時探測光信號，并且在一次采樣中同時完成主動光電測量與被動光電測量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種主被動復(fù)合陣列式光電探測裝置，包括主動探測單元和被動探測單元，所述主動探測單元用于探測主動探測光信號的時間量及光強(qiáng)度，所述被動探測單元用于被動探測光強(qiáng)度或主動照明下的光強(qiáng)度，所述主動探測單元與所述被動探測單元通過交錯排列形成復(fù)合體制的探測器陣列。本發(fā)明通過將具有主動測距與測回波峰值強(qiáng)度的主動探測單元與測被動灰度的被動探測單元復(fù)合于同一傳感器上，能夠同時進(jìn)行主動光電探測與被動光電探測，可實(shí)現(xiàn)在同一傳感器上同時得到主動光電成像與被動光電成像，并兩類成像數(shù)據(jù)中各分視場對同一視場規(guī)律分割，具有較大的作用距離和視場并且能夠提供目標(biāo)物的距離信息。
文檔編號G01S17/08GK102662165SQ20121016482
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者孟柘, 宋子奇, 張珂殊, 李孟麟 申請人:中國科學(xué)院光電研究院