CN107340508B - 用于采集处理激光信号的焦平面芯片、像素单元及阵列 - Google Patents

Abstract

为解决现有激光雷达测速测距系统测量不够精准、扫描速度缓慢、图像空间分辨率低问题，本发明提供了一种用于采集处理激光信号的焦平面芯片、像素单元及阵列。像素单元包括光电二极管和与光电二极管负极端相连并集成于一体的采样/处理电路；像素单元阵列中的每个像素单元均对应有完整的读出电路，工作时，每个像素单元同时进行数据转化，相对于传统单点探测的方式，极大地提高了测速测距系统的扫描速度；像素单元阵列的每个光电二极管经过镜头对应不同的空间视场角，图像空间分辨率高。

Description

用于采集处理激光信号的焦平面芯片、像素单元及阵列

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种用于采集处理激光信号的焦平面芯片、像素单元和像素单元阵列。

背景技术

测速测距相干激光雷达是激光雷达技术、相干探测技术、信号处理技术的综合应用之一，广泛应用在航空航天、目标监控、风场测量等诸多领域，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。然而，在用激光雷达对运动物体尤其是行驶中的车辆进行测速测距时，因路面行驶车辆多，若同时或分时发射激光信号来探测目标距离及速度，车辆之间存在很强的干扰性，容易造成测量不够精准的问题。

另外，传统的车载激光雷达探测器多数采用单点测试方式，其需要配置机械扫描装置，扫描速度缓慢，图像空间分辨率低。为了提高扫描速度需要选用焦平面芯片，但是由于现有焦平面芯片的封装工艺绝大多数是将探测器阵列与读出电路阵列分离为两层，将探测器阵列置于芯片底层，其上一层为读出电路的A/D转换器及放大电路，二极管在接收光信号时先要透过二极管上层的读出电路的线路层，由于光投射到线路层时容易发生光反射造成光损失，减少了二极管的受光量。

发明内容

基于以上背景，为解决现有激光雷达测速测距系统测量不够精准、扫描速度缓慢、图像空间分辨率低问题，本发明提供了一种用于采集处理激光信号的焦平面芯片、像素单元及阵列。

本发明所采用的技术解决方案是：

用于采集激光信号的像素单元，其特殊之处在于：包括光电二极管和与光电二极管负极端相连并集成于一体的采样/处理电路；

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端；电流-电压转换电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；带通滤波电路由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6、R7及C4、C5构成；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和R3之间的节点，电容C4的另一端接地；

或者

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样-处理电路的输出；高通滤波电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2、R3、R4构成；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有所述开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端之间的节点，电阻R4的另一端接地；

电流-电压转换电路由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连；低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间的节点，电容C6的另一端接地。

本发明还提供了一种用于采集激光信号的像素单元阵列，其特殊之处在于：包括多个上述像素单元；所有像素单元相互独立设置并且对应不同的空间视场角。

进一步地，所有像素单元集成在衬底上；所述衬底的底部设置有由多个菲涅尔透镜构成的微透镜阵列；每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上。

本发明同时提供了一种用于采集和处理激光信号的焦平面芯片，包括衬底以及集成在衬底上的像素单元阵列、互连金属、金属布线层、信号处理电路、时序控制电路和用于生成行选信号的行选模块；其特殊之处在于：

像素单元阵列通过互连金属与金属布线层相连，金属布线层通过数据列线与信号处理电路相连；

像素单元阵列由多个独立的、对应不同的空间视场角的像素单元构成，每个像素单元均包括设置在衬底上的光电二极管和用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号并进行滤波处理的采样/处理电路；

信号处理电路包括模数转换模块和数据输出模块；模数转换模块的输入端与采样/处理电路的输出端相连，模数转换模块的输出端与数据输出模块的输入端相连；数据输出模块包括用于生成列选信号的列选模块；

模数转换模块用于将采样/处理电路输出的电压信号转换为数字信号；时序控制电路用于控制所述行选模块和所述列选模块工作；数据输出模块用于输出通过所述行选模块和列选模块所确定的像素单元内的数字信号；

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端；电流-电压转换电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；带通滤波电路由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6、R7及C4、C5构成；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和电阻R3之间的节点，电容C4的另一端接地；

或者，

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样-处理电路的输出；开关S2并联在高通滤波电路中电容C1的两端；高通滤波电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2、R3、R4构成；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接在电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端，电阻R4的另一端接地；电流-电压转换电路由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连；低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间的节点，电容C6的另一端接地。

进一步地，上述模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器；斜波产生电路用于产生三角波；比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

数据输出模块还包括Nbit计数器、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端分别与所述多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和列选模块分别发送控制信号给所述多个存储器的控制端，所述多个存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出数字信号。

进一步地，上述衬底的底部设置有由多个菲涅尔透镜构成的微透镜阵列；每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采集精度高、噪声滤除能力好，抗干扰能力强，应用于激光测速测距系统中能够提高系统的测量精度和抗干扰能力。

2、本发明采用像素单元阵列对回波信号进行面阵探测，像素单元阵列中的每个像素单元均对应有完整的读出电路，工作时，每个像素单元同时进行数据转化，相对于传统单点探测的方式，极大地提高了测速测距系统的扫描速度。

3、像素单元阵列的每个光电二极管经过镜头对应不同的空间视场角，图像空间分辨率高。

4、像素单元阵列中的每个光电二极管与采样/处理电路集成于一体，电路简单，对信号的处理在一个小尺寸的芯片内实现。

5、焦平面芯片采用背照式设计，其金属布线层设置在光电二极管的底层，光电二极管可以直接与透光面接触，减少了中间环节光线的损失，而且有效的减少了芯片厚度。

6、焦平面芯片的衬底底部设有微透镜阵列，每个光电二极管对应一个微透镜，更有效将回波信号光汇聚在对应的光电二极管上，减少了光电二极管之间多余的光线干扰。

7、采用本发明的焦平面芯片的激光测速测距系统，避免了激光测速测距系统对机械扫描装置的依赖，同时提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为焦平面芯片的整体结构示意图；

图2为焦平面芯片的组成结构示意图；

图3为焦平面芯片的侧视剖面图；

图4为焦平面芯片的读出电路及输出接口系统整体结构示意图；

图5为焦平面芯片的像素输出布线图；

图6为本发明中焦平面芯片的读出电路整体原理框图；

图7为焦平面芯片中采样/处理电路一种实施方式的电路原理图；

图8为焦平面芯片中采样/处理电路另一种实施方式的电路原理图；

图9为焦平面芯片的一维行选通模块输出示意图；

图10为焦平面芯片的二维行/列选通模块输出示意图；

图11为焦平面芯片中的采样/处理电路的模拟开关控制信号时序控制图；

图12为焦平面芯片的寻址行使能选通开关逻辑示意图；

图13为本发明的焦平面芯片的寻址列使能选通开关逻辑示意图。

附图标记说明：

201-微透镜阵列，202-衬底，203-器件有源区(外延层)，204-金属布线层，205-互连金属，206-像素单元阵列，2061-光电二极管，207-数据列线，208-数据总线，209-行选通地址线，210-采样/处理电路，212-信号处理电路，222、224-N型掺杂层，225-P型掺杂层，226-阴极电极，227-阳极电极，228-SiO₂隔离层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参见图1至图4，本发明所提供的焦平面芯片包括衬底202(材料为Si)以及集成在衬底202上的像素单元阵列206、信号处理电路212、时序控制电路和行选模块；像素单元阵列206通过互连金属205(该互连金属作为接触用于实现器件与Si衬底的连接)与金属布线层204集成于一体，金属布线层204通过数据列线207与信号处理电路212相连。

如图1和2所示，金属布线层204由多个金属布线单元构成，每个金属布线单元分别对应一个像素单元；每个金属布线单元是由多层金属层和多层介质层构成，在每层金属层上均设有连接点，多层介质层分别设置在相邻两层金属层之间，介质层的材料为SiO₂。

如图2和图3所示，衬底202底部还设置有与衬底202集成于一体的微透镜阵列201，微透镜阵列201由多个菲涅尔透镜构成，每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上，有利于光电二极管吸收光信号，该微透镜阵列201有效提高了衬底表面透射率。

如图3所示，衬底202顶部设有SiO₂隔离层228，在SiO₂隔离层228上设有多个用于内嵌阴极电极226和阳极电极227的孔，阴极电极226镶嵌入衬底202中的接触面处设有面积大于阴极电极226截面积的N型掺杂层224，阳极电极227镶嵌入衬底202中的接触面处设有面积大于阳极电极227截面积的P型掺杂层225。衬底202底部具有N型掺杂层222，微透镜阵列201设置在N型掺杂层222底部。

像素单元阵列206由多个独立的对应不同的空间视场角的像素单元构成，每个像素单元均包括用于吸收激光调制光的光电二极管2061；光电二极管2061设置在衬底202上，分布在衬底202与金属布线层204之间的器件有源区(外延层)203。

采样/处理电路

参见图5和图6，采样/处理电路有多个，其与光电二极管2061一一对应，每个光电二极管2061的负极端均连接有一个采样/处理电路210并集成于一体构成一个像素单元。

本发明的采样/处理电路可采用以下两种结构形式：

第一种形式(参见图7)：

采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；开关S1的一端与像素单元内的光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端。

开关S1和S2均为模拟开关，用于控制像素单元内像素的采样；开关S1闭合、S2断开时，被光电二极管吸收的光信号转换成的电流信号通过开关S1给电容C3充电；开关S1断开、S2闭合时，电容C3放电，开关S1、S2的控制信号由调谐的方波信号(该方波信号可来自于焦平面芯片外的主处理器)来控制，S1与S2的控制信号相反。

电容C3用于像素单元内电荷积累和定时放电；

电流-电压转换电路用于将光电二极管吸收的光电流信号转换为电压信号，它由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；本实施例中，运算放大器Opamp1采用低噪声高精度运算放大器，R1、R2选用阻值在兆欧量级、高精度金属电阻，电流信号经过电流-电压转换电路之后，转换为幅度约为mV量级的电压信号；

带通滤波电路用于滤除电路中的谐波噪声，使频率在1MHz-100MHz之间的信号可以通过，它是由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6及C4、C5构成的二阶有源滤波器；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和电阻R3之间的节点，电容C4的另一端接地。本实施例中，运算放大器Opamp2采用低噪声高精度运算放大器，带宽至少达到100MHz的两倍，电阻R3、R4、R5、R6选用高精度金属电阻。

第二种形式(参见图8)：

采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；

开关S1的一端与像素单元内的光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样-处理电路的输出；开关S2并联在高通滤波电路中电容C1的两端。

开关S1和S2均为模拟开关，用于控制像素单元内像素的采样；开关S1闭合、S2断开时，被光电二极管吸收的光信号转换成的电流信号通过开关S1给电容C1充电；开关S1断开、S2闭合时，电容C1放电，开关S1、S2的控制信号由调谐的方波信号来控制，S1与S2的控制信号相反。

电容C1用于像素单元内电荷积累和定时放电；

高通滤波电路用于滤除电路中的谐波噪声，使频率在1MHz-100MHz之间的信号可以通过，它是由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2、R3、R4构成二阶有源滤波器；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接在电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端之间的节点，电阻R4的另一端接地。

电流-电压转换电路用于将电流信号转换为电压信号，它由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连；

低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接在电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间，电容C6的另一端接地。

信号处理电路212

参见图4，信号处理电路212包括与上述采样/处理电路的输出端相连的模数转换模块和与所述模数转换模块的输出端相连的数据输出模块。

参见图6模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器，比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元所对应的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

斜波产生电路用于产生三角波，其输出波形的设定节点电压为Vref，可用现有电路/单元实现；

数据输出模块包括Nbit计数器、列选模块、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端与模数转换模块中的多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和列选模块分别发送控制信号给所有存储器的控制端，所有存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出用于计算距离、速度数据的数字信号。

需要说明的是，也可在每个像素单元内均设置一个模数转换模块和一个数据输出模块，但这样会使焦平面芯片的尺寸增大。

时序控制电路

时序控制电路用于控制焦平面芯片内的行选模块和读出电路中数据输出模块中的列选模块工作。

如图12所示，焦平面芯片的行选模块通过对行计数器的输出进行译码，可以得到行选信号，使能时间分别与行时钟信号的周期相同；其中Row_clk为行时钟信号，图12中1、2分别表示行选通开关控制信号，Q<1>至Q<n>分别表示1bit计数器的输出数据，NQ<1>至NQ<n>表示Nbit计数器的输出数据。

如图13所示，焦平面芯片的列选模块通过对列计数器的输出进行译码，可以得到列选信号，使能时间分别与列时钟信号的周期相同；其中Col_clk为列时钟信号，图13中1、2分别表示列选通开关控制信号，Q<1>至Q<n>分别表示1bit计数器的输出数据，NQ<1>至NQ<n>表示Nbit计数器的输出数据。

焦平面芯片的工作原理：

如图5所示，每个像素单元均具有与行选模块相连的行选通地址线209，该行选通地址线209分别连接焦平面芯片的用于控制每个像素单元的采样/处理电路的数据输出的寻址行使能选通开关S3；

如图6所示，像素单元阵列206中的采样/处理电路积分结束后，模数转换模块中的斜波产生电路开始工作，通过行选模块给出的行选信号，选择将某一行像素单元的采样/处理电路的数据读出；

每一列像素单元内的电压信号和斜波产生电路的输出信号分别送入每一列所对应的比较器的两个输入端，当比较器的输出端翻转后，在该比较器对应的存储器中存下当前Nbit计数器的计数值；

斜波产生电路工作截止后，通过数据输出模块中的列选模块给出的列选信号，控制存储器中的数据依次读取到数据总线上，然后通过数据输出模块中的输出缓冲模块将数据读出到焦平面芯片外。

Claims (6)

1.用于采集和处理激光信号的像素单元，其特征在于：包括光电二极管与光电二极管负极端相连并集成于一体的采样/处理电路，一个所述采样/处理电路对应一个所述像素单元：

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端；电流-电压转换电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、 R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；带通滤波电路由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6、R7及 C4、C5构成；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和电阻R3之间的节点，电容C4的另一端接地；

或者，

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样-处理电路的输出；开关S2并联在高通滤波电路中电容C1的两端；高通滤波电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、 R1、R2、R3、R4构成；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接在电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端，电阻R4的另一端接地；

电流-电压转换电路由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连；低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、 R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间的节点，电容C6的另一端接地；

所述光电二极管底层设置有金属布线层，且所述光电二极管直接与透光面接触，所述金属布线层包括金属布线单元，每个金属布线单元是由多层金属层和多层介质层构成，在每层金属层上均设有连接点，多层介质层分别设置在相邻两层金属层之间，每个所述光电二极管对应一个所述金属布线单元。

2.用于采集激光信号的像素单元阵列，其特征在于：包括多个权利要求1所述的像素单元；所有像素单元相互独立设置并且对应不同的空间视场角。

3.根据权利要求2所述的用于采集激光信号的像素单元阵列，其特征在于：所有像素单元集成在衬底上；所述衬底的底部设置有由多个菲涅尔透镜构成的微透镜阵列；每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上。

4.用于采集和处理激光信号的焦平面芯片，包括衬底以及集成在衬底上的像素单元阵列、互连金属 、金属布线层、信号处理电路、时序控制电路和用于生成行选信号的行选模块；其特征在于：

像素单元阵列通过互连金属与金属布线层相连，金属布线层通过数据列线与信号处理电路相连；

像素单元阵列由多个独立的、对应不同的空间视场角的像素单元构成，每个像素单元均包括设置在衬底上的光电二极管和用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号并进行滤波处理的采样/处理电路；

信号处理电路包括模数转换模块和数据输出模块；模数转换模块的输入端与采样/处理电路的输出端相连，模数转换模块的输出端与数据输出模块的输入端相连；数据输出模块包括用于生成列选信号的列选模块；

模数转换模块用于将采样/处理电路输出的电压信号转换为数字信号；时序控制电路用于控制所述行选模块和所述列选模块工作；数据输出模块用于输出通过所述行选模块和列选模块所确定的像素单元内的数字信号；

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端；电流-电压转换电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、 R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；带通滤波电路由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6、R7及 C4、C5构成；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和电阻R3之间的节点，电容C4的另一端接地；

或者，

所述采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样-处理电路的输出；开关S2并联在高通滤波电路中电容C1的两端；高通滤波电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、 R1、R2、R3、R4构成；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接在电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端，电阻R4的另一端接地；电流-电压转换电路由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连；低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、 R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间的节点，电容C6的另一端接地；

所述金属布线层设置在所述光电二极管的底层；

金属布线层由多个金属布线单元构成，每个金属布线单元分别对应一个像素单元；每个金属布线单元是由多层金属层和多层介质层构成，在每层金属层上均设有连接点，多层介质层分别设置在相邻两层金属层之间。

5.根据权利要求4所述的用于采集和处理激光信号的焦平面芯片，其特征在于：模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器；斜波产生电路用于产生三角波；比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

数据输出模块还包括Nbit计数器、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端分别与所述多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和列选模块分别发送控制信号给所述多个存储器的控制端，所述多个存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出数字信号。

6.根据权利要求4或5所述的用于采集和处理激光信号的焦平面芯片，其特征在于：衬底的底部设置有由多个菲涅尔透镜构成的微透镜阵列；每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上。

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