CN102662165A - 主被动复合阵列式光电探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主被动复合阵列式光电探测装置，包括主动探测单元和被动探测单元，所述主动探测单元用于探测主动探测光信号的时间量及光强度，所述被动探测单元用于被动探测光强度或主动照明下的光强度，所述主动探测单元与所述被动探测单元通过交错排列形成复合体制的探测器阵列。本发明通过将具有主动测距与测回波峰值强度的主动探测单元与测被动灰度的被动探测单元复合于同一传感器上，能够同时进行主动光电探测与被动光电探测，可实现在同一传感器上同时得到主动光电成像与被动光电成像，并两类成像数据中各分视场对同一视场规律分割，具有较大的作用距离和视场并且能够提供目标物的距离信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合体制阵列光电探测技术，尤其涉及一种可同时对目标物主动探测与被动探测的复合体制阵列式传感技术，属于光电传感技术领域。
背景技术
阵列式光电传感器主要由光电探测器阵列及其读出电路组成，其中光电探测器通常采用PIN或APD结构。通过二维的探测器阵列可对目标物进行成像，根据成像系统中传感器与主动光源发光时刻的相关性，又可将其分为主动成像与被动成像两类。其中主动成像传感器已广泛应用于激光雷达等领域，其特点是阵列中每一个探测器能够同时测量目标物的距离与回波峰值强度，因而能够在一次测量中获得目标物表面的三维信息与反射强度信息，但是由于受到激光功率等条件的限制其一般作用距离较近，且视场小不利于大视场中的目标探测；被动成像传感器主要应用于可见光或红外光的被动成像领域，其特点是视场较大，作用距离较远，且可提供不同波段的色彩信息，然而无法提供目标物的距离信息。
发明内容
本发明为解决现有的光电传感器技术存在的作用距离较近、视场较小以及无法提供目标物的距离信息的问题，进而提供了一种主被动复合阵列式光电探测装置，包括主动探测单元和被动探测单元，所述主动探测单元用于探测主动探测光信号的时间量及光强度，所述被动探测单元用于被动探测光强度或主动照明下的光强度，所述主动探测单元与所述被动探测单元通过交错排列形成复合体制的探测器阵列。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过将具有主动测距与测回波峰值强度的主动探测单元与测被动灰度的被动探测单元复合于同一传感器上，能够同时进行主动光电探测与被动光电探测，可实现在同一传感器上同时得到主动光电成像与被动光电成像，并两类成像数据中各分视场对同一视场规律分割，具有较大的作用距离和视场并且能够提供目标物的距离信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例一中主动探测单元与被动探测单元的排列方式示意图；
图2是本发明实施例一中主动探测单元的读出电路的结构示意图；
图3是本发明实施例一中被动探测单元的读出电路的结构示意图；
图4是本发明实施例二中主动探测单元与被动探测单元的排列方式示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本具体实施方式提供了一种主被动复合阵列式光电探测装置，主动探测单元1和被动探测单元2，主动探测单元1用于探测主动探测光信号的时间量及光强度，被动探测单元2用于被动探测光强度或主动照明下的光强度，主动探测单元1与被动探测单元2通过交错排列形成复合体制的探测器阵列。
实施例一
本实施例中可采用HgCdTe材料的APD结构制成复合体制光电探测器阵列，通过分子束外延（MBE）或液相外延（LPE）工艺加工制成。该类型光电探测器的相应波段为3um-5um，可在大气传输窗口内传输。根据APD响应速度快，光电增益高的特性，在合适的偏压下该探测器可达的增益为~100，信号带宽可达~GHz，因此可满足窄激光脉冲主动探测需求同时也可用于被动光电探测。根据现有工艺加工手段可将该APD像素制成小于50um尺寸。由于HgCdTe材料光电响应特性需要工作温度为~77K，因此该探测器需在液氮制冷下工作。
探测器阵列中主动探测单元1与被动探测单元2为相同探测器，通过连接不同读出电路单元可分别实现主动探测与被动探测功能，以8X8阵列为例，两者的排列方式如图1所示，主动探测单元1被分布在阵列的四角，被动探测单元2分布在阵列内部，因此即可主动测量得出目标物距离骨架点，又不破坏被动成像面阵的完整性。其中读出电路（ROIC）为采用CMOS工艺的集成电路，该单元电路面积与探测器尺寸相匹配，ROIC与探测器阵列采用In凸点倒焊工艺相连接，每个探测器单元对应一个ROIC单元。
ROIC单元分为主动读出单元与被动读出单元两类，分别与探测器阵列中主动探测器与被动探测器相对应。其中主动探测单元1的读出电路结构如图2所示，反向偏置电压Vb加置于偏置电阻3之上，该偏置电阻可将HgCdTe APD 4输出的光电流信号转为电压信号。一个高增益高速放大器5可将探测器输出的微弱脉冲电压信号放大，用于后续比较器7检测光电脉冲。当放大后的探测器信号高于某阈值电压Vth时，比较器翻转并被锁存器8保存。锁存器输出控制采样保持电路对一个时间基电压斜坡信号进行采样，因此该采样电压与时间成正比，可以通过此电压将回波脉冲返回时间记录并保存。这个斜坡电压信号由一个时控斜坡发生器6产生，斜坡上升快慢决定了主动测距的范围，斜坡上升越快测距范围越小而距离精度则越高，反之亦然。
被动探测单元的读出电路结构如图3所示，HgCdTd APD探测器的偏置方式与主动读出电路相同，但是读出电路采用了电容跨阻放大器（CTIA），它由跨导放大器（OTA）12、积分电容（Cint）13、复位开关14组成，Cint通常选用pF级电容，控制电路产生的噪声。该CTIA放大器可实现在~10us时间内对APD探测器输出信号进行积分放大，当完成一次放大后，通过采样保持电路15保持，同时通过复位开关14对Cint 13进行复位，以供下次放大采样读出。这种积分型读出电路具有噪声低、动态范围大的特点，能够满足高精度被动成像需要。
这种复合体制光电探测器阵列的工作方式如下，通过一个激光器向目标物发射一个窄激光脉冲，脉宽为10ns，激光波段为4um。经目标物反射与大气传输，反射脉冲被接收装置中光学系统接收并辐射至探测器阵列上，此时主动探测单元将读出反射脉冲到达时刻，当检测到反射回波后，进行10ns延时开始启动被动读出单元进行被动热辐射强度读出。各探测器单元读出数据最终可被行列选通的方式读出至传感器片外。
实施例二
本实施例与实施例一的不同点在于，光电探测器为Si APD结构，该类型光电探测器的特点是响应在可见光波段，并且在常温下工作。通过滤色片可将被动探测单元分为蓝、绿、红三类，以8X8阵列为例，被动探测单元与主动探测单元的排列方式如图4所示，其中红色被动探测单元（R）17、蓝色被动探测单元（B）18、绿色被动探测单元（G）16与主动探测单元（D）19为等比例交错排列。这种排列方式可得分辨率较高的主动与被动成像。
采用本具体实施方式提供的技术方案，通过将具有主动测距与测回波峰值强度的主动探测单元与测被动灰度的被动探测单元复合于同一传感器上，能够同时进行主动光电探测与被动光电探测，可实现在同一传感器上同时得到主动光电成像与被动光电成像，并两类成像数据中各分视场对同一视场规律分割，具有较大的作用距离和视场并且能够提供目标物的距离信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种主被动复合阵列式光电探测装置，包括主动探测单元和被动探测单元，所述主动探测单元用于探测主动探测光信号的时间量及光强度，所述被动探测单元用于被动探测光强度或主动照明下的光强度，其特征在于，所述主动探测单元与所述被动探测单元通过交错排列形成复合体制的探测器阵列。
2.根据权利要求1所述的主被动复合阵列式光电探测装置，其特征在于，所述探测器阵列采用兼容工艺的主动探测单元与被动探测单元加工于同一探测器阵列上或两者不同工艺下独立探测器单元拼接而成的阵列。
3.根据权利要求1所述的主被动复合阵列式光电探测装置，其特征在于，所述主动探测单元还用于将目标物根据主动光源的回光信号作为触发信号，采用脉冲测距或连续波相位测距方法探测目标物与所述主动探测单元之间的距离，以及探测所述目标物对所述主动光源的反射强度。
4.根据权利要求1所述的主被动复合阵列式光电探测装置，其特征在于，所述被动探测单元还用于响应单波段或多波段光信号。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的主被动复合阵列式光电探测装置，其特征在于，所述主动探测单元与所述被动探测单元用于同时探测光信号，并且在一次采样中同时完成主动光电测量与被动光电测量。
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