CN101231193B - 单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，它包括：可见光像元、可见光像元收集二极管、红外感光像元、红外感光像元收集二极管、四相CCD转移栅上的电极V1、V2、V3、V4，各个电极按上述顺序从上至下排列并构成CCD信道；可见光像元(1)和红外感光像元(3)并列在四相CCD转移栅的一侧，且可见光像元和红外感光像元的位置可互换；可见光像元和红外感光像元分别通过可见光像元收集二极管和红外感光像元收集二极管把可见光信号和红外信号输入四相CCD转移栅上的相应电极；各个器件间用沟阻隔离，防止信号间的相互干扰；本发明结构可在单芯片上实现双光谱的探测；本发明的有益技术效果是：可大大减小探测系统的体积、重量及成本，与现有的硅工艺兼容，易于制作大规模焦平面阵列，在同一光路中实现实时图象融合与分离，提高探测器在双波段的探测能力。

Description

单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器

技术领域

本发明涉及一种探测器，尤其涉及一种单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器。

背景技术

目前可见光/红外摄像系统大都采用可见光和红外两种探测器的分离式系统，即以可见光电荷耦合器件(CCD)为基础的可见光探测部分和以红外焦平面为基础的红外光探测部分。

上述的分离式摄像系统工作过程如下：当系统对目标进行探测时，可见光探测系统和红外探测系统同时对目标进行成像，在相应的探测系统中可以观测到相应可见光或红外的像；而后端的信号处理系统则可以对前端探测到的可见光和红外信号进行融合处理，得到双波段信号融合的图像，以提高探测器的探测能力。

由于整个探测器是通过两个不同的光路系统对目标进行探测，对同一目标，其探测位置不可能做到完全一致，因此所成的可见光像和红外像就会存在一定的位置偏差。由于这种位置偏差的影响，两幅图像不可能完全重合，这就会影响到信号融合后的图像的清晰度。

基于上述现有技术中的不足，本发明提出了一种可以解决上述问题的新的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种只需一个光路系统就可成像的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器。

本发明的技术方案为：它包括：可见光像元、可见光像元收集二极管、红外感光像元、红外感光像元收集二极管、四相CCD转移栅上的电极V1、V2、V3、V4，各个电极按上述顺序从上至下排列并构成CCD信道；可见光像元和红外感光像元并列在四相CCD转移栅的一侧，且可见光像元和红外感光像元的位置可互换；可见光像元和红外感光像元分别通过可见光像元收集二极管和红外感光像元收集二极管把可见光信号和红外信号输入四相CCD转移栅上的相应电极；各个器件间用沟阻隔离，防止信号间的相互干扰。

可见光像元收集二极管把可见光信号输出到电极V1，红外感光像元收集二极管把红外信号输出到电极V3；或者红外感光像元收集二极管把红外信号输出到电极V1，可见光像元收集二极管把可见光信号输出到电极V3。

所述的CCD信道宽度为7μm。

所述的红外感光像元的尺寸大于可见光像元。

所述的可见光像元的尺寸为30(H)×20(V)μm²；所述的红外感光像元的尺寸为30(H)×40(V)μm²。

所述的红外感光像元外沿有一N型保护环。

所述的红外感光像元为PtSi二极管，可见光像元为光敏二极管。

所述的PtSi二极管的PtSi薄膜厚度小于5nm。

本发明的有益技术效果是：可大大减小探测系统的体积、重量及成本，与现有的硅工艺兼容，易于制作大规模焦平面阵列，在同一光路中实现实时图象融合与分离，提高探测器在双波段的探测能力。

附图说明

附图1，常规的可见光/红外双光谱探测器系统结构图；

附图2，本发明的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器结构示意图；

附图3，本发明的像元结构示意图；

附图4，本发明的可见光像元剖面结构示意图；

附图5，本发明的红外感光像元剖面结构示意图；

附图中：可见光像元1、可见光像元收集二极管2、红外感光像元3、红外感光像元收集二极管4、四相CCD转移栅5、沟阻6、N型保护环7、P型势垒8、P型硅衬底9、二氧化硅层10、V-CCD信道11。

具体实施方式

参见附图1，常规的可见光/红外双光谱探测器系统结构图，可见光探测系统和红外探测系统同时对目标进行成像，在相应的探测系统中可以观测到相应可见光或红外的像；而后端的信号处理系统则可以对前端探测到的可见光和红外信号进行融合处理，得到双波段信号融合的图像；这种成像方式的缺点在于两幅图像不可能完全重合，这就会影响到信号融合后的图像的清晰度。

参见附图3，本发明的像元结构示意图，由于本发明的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，针对两个不同的波段分别设计有可见光像元1和红外感光像元3，因此利用该结构不仅可以在单芯片上实现双光谱的探测，而且有利于对双波段的信号实现实时的融合和分离处理，提高探测器对目标的识别能力；同时其制作工艺与现有的可见光/红外双光谱探测器制作工艺完全兼容，便于制作生产。

附图3中，可见光像元1和红外感光像元3并列在四相CCD转移栅5的一侧，且可见光像元1和红外感光像元3的位置可互换；可见光像元1和红外感光像元3分别通过可见光像元收集二极管2和红外感光像元收集二极管4把可见光信号和红外信号输入四相CCD转移栅5上的相应电极；各个器件间用沟阻6隔离，防止信号间的相互干扰。

参见附图3，通常情况下红外响应要明显比可见光响应低，因此在设计时增大了红外感光像元3的感光面积以提高其响应，红外感光像元3的尺寸为30(H)×40(V)μm²，可见光像元1的尺寸为30(H)×20(V)μm²(上述尺寸为任意选取的一种)；由四相CCD转移栅5上的电极V1、V2、V3、V4构成的CCD信道宽为7μm；为了降低PtSi红外探测器(由红外感光像元3和其它相关结构组成)热噪声和暗电流，PtSi二极管(红外感光像元3)周围设计了N型保护环；光信号从正面入射，在PtSi膜内产生电子空穴对，能量高于PtSi肖特基势垒的热空穴注入衬底，留在PtSi膜内的电子即为信号电荷；可见光像元1则设计成光敏二极管。

参见附图2，本发明的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器结构示意图(图中箭头所指方向为信号传输方向)，本发明的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，采用内线转移结构，信号电荷通过四相结构的垂直埋沟CCD移位寄存器(四相CCD转移栅5)转移到四相的水平埋沟CCD移位寄存器(四相CCD转移栅5)，最后由输出放大器输出；当探测器工作时，偶数行对红外响应，奇数行对可见光响应，利用CCD隔行扫描模式，可在偶场读出红外图像，奇场读出可见光图像的方案。

参见附图4、附图5，图中箭头所指方向为光入射方向，衬底采用P型硅衬底9，对于红外感光像元3在其表面制备出厚度不大于5nm的PtSi薄膜(图中略)。为了降低PtSi探测器热噪声和暗电流，PtSi二极管周围设计有N型保护环7。对于可见光像元1则在P型硅衬底9上注入一层N型掺杂层形成光敏二极管。光信号从PtSi或光敏二极管正面入射，在PtSi薄膜或光敏二极管内产生信号电荷。P型势垒8则控制信号电荷的转出。除感光的区域外，器件其余地方用厚的二氧化硅层10覆盖。

实施例1：

参见附图3，一种单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，它包括：可见光像元1、可见光像元收集二极管2、红外感光像元3、红外感光像元收集二极管4、四相CCD转移栅5上的电极V1、V2、V3、V4，各个电极按上述顺序从上至下排列并构成CCD信道；可见光像元1和红外感光像元3并列在四相CCD转移栅5的一侧，且可见光像元1和红外感光像元3的位置可互换；可见光像元1和红外感光像元3分别通过可见光像元收集二极管2和红外感光像元收集二极管4把可见光信号和红外信号输入四相CCD转移栅5上的相应电极；各个器件间用沟阻6隔离，防止信号间的相互干扰。

由于器件采用三电平工作方式输出信号，光敏二极管(可见光像元1)和PtSi二极管(红外感光像元3)与V-CCD信道11对应电极分别为V1和V3(即可见光像元收集二极管2把可见光信号输出到电极V1，红外感光像元收集二极管4把红外信号输出到电极V3)，使得器件可采用场积分和帧积分两种模式进行工作。

其工作方式如下：

场积分模式下：电极V1和V3同时加高电平，奇数行的光敏二极管中积累的可见光信号和偶数行的PtSi二极管中积累的红外信号同时转出后，奇场时，信号电荷通过电极V2下面的CCD进行叠加然后依次转移，偶场时，信号电荷通过电极V4下面的CCD进行叠加然后依次转移，完成一场信号的输出。

帧积分模式下：在奇场信号转出时，对应的电极V1为高电平，奇数行的PtSi二极管积累的电荷通过表沟势垒区转移进入相应的电极V1，然后依次转移，此时偶数行PtSi二极管对光信号进行积分。在偶场信号转出时，对应电极V3，偶数行的PtSi二极管积累的电荷被读出，然后依次转移，同时奇数行PtSi二极管对光信号进行积分，依次重复进行，完成一帧信号输出。

依据器件的工作模式，完成图像的融合与隔离成像可以有两种方法：

1)单独从驱动电路上着手进行控制，让器件工作在场积分模式，通过跳线或者开关控制FPGA(现场可编程逻辑阵列)的引脚输入来控制驱动时序脉冲的发生。融合成像时，控制时序发生电路按正常场积分模式工作，使得信号电荷在CCD器件读出转移的过程中便得到融合；单光谱成像时，如单独成可见光像，控制时序发生电路，将电极V3的三电平关掉，只读出电极V1下面的信号电荷，即可见光响应的信号，依次转移读出，单独成红外像时，类似的关掉电极V1的三电平，只读出电极V3下面的信号电荷，即红外响应的信号，依次转移读出，实现单光谱成像。

2)从图像处理的角度着手，让器件工作在隔行扫描的帧积分模式下，先将依次转移读出的模拟信号转换成数字信号，用FPGA做控制及接口器件，将数字信号分场存储于存储芯片中，通过串口(UTAR)接收命令控制图像的处理与显示。单光谱成像时，通过FPGA控制从存储芯片实时取出奇场信号(偶场)传送到DA(数模转换)，并在接下来的偶场(奇场)时间内将该场的信号重复读出一次以满足PAL制式，实现单光谱成像；多光谱融合成像时，则要读出存储器中两场的数字信号，在FPGA内通过一定的算法将数字信息处理后再送出到DA转换成电视信号，完成多光谱融合成像。

实施例2：

实施例2与实施例1的不同之处在于：可见光像元1和红外感光像元3的位置进行了互换，并且红外感光像元收集二极管4把红外信号输出到电极V1，可见光像元收集二极管2把可见光信号输出到电极V3，其余结构也作相应改变；进行这种改变后，其工作原理和过程与实施例1相类似。

Claims (8)

1.一种单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：它包括：可见光像元(1)、可见光像元收集二极管(2)、红外感光像元(3)、红外感光像元收集二极管(4)、四相CCD转移栅(5)上的四个电极(V1、V2、V3、V4)，该四个电极按第一电极(V1)、第二电极(V2)、第三电极(V3)、第四电极(V4)的顺序从上至下排列并构成CCD信道；可见光像元(1)和红外感光像元(3)并列在四相CCD转移栅(5)的一侧，且可见光像元(1)和红外感光像元(3)的位置可互换；可见光像元(1)和红外感光像元(3)分别通过可见光像元收集二极管(2)和红外感光像元收集二极管(4)把可见光信号和红外信号输入四相CCD转移栅(5)上的相应电极；各个器件间用沟阻(6)隔离，防止信号间的相互干扰。

2.根据权利要求1所述的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：可见光像元收集二极管(2)把可见光信号输出到第一电极(V1)，红外感光像元收集二极管(4)把红外信号输出到第三电极(V3)；或者红外感光像元收集二极管(4)把红外信号输出到第一电极(V1)，可见光像元收集二极管(2)把可见光信号输出到第三电极(V3)。

3.根据权利要求1所述的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：所述的CCD信道宽度为7μm。

4.根据权利要求1所述的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：所述的红外感光像元(3)的尺寸大于可见光像元(1)。

5.根据权利要求3所述的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：所述的可见光像元(1)的尺寸为30×20μm²；所述的红外感光像元(3)的尺寸为30×40μm²。

6.根据权利要求1或5所述的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：所述的红外感光像元(3)外沿有一N型保护环(7)。

7.根据权利要求1或5所述的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：所述的红外感光像元(3)为PtSi二极管，可见光像元(1)为光敏二极管。

8.根据权利要求7所述的单片式可见光/红外光双光谱焦平面探测器，其特征在于：所述的PtSi二极管的PtSi薄膜厚度小于5nm。

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