ES2669371T3 - Detector matricial de impulsos láser con suma rápida - Google Patents
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Abstract
Detector (100) de impulsos luminosos de inyección directa contrarreaccionada que incluye una matriz de fotodetectores, comprendiendo cada fotodetector un transductor (1) y un integrador (2) que incluye un transistor de inyección (21) MOSFET montado en rejilla común, un amplificador de contrarreacción, una capacidad de integración (22), el amplificador de contrarreacción es un amplificador (20') diferencial inversor en cascada cuya entrada negativa está conectada a la entrada del transistor de inyección (21) y cuya salida está conectada a la rejilla de este transistor, caracterizado porque comprende para cada fotodetector un circuito de demultiplexación (4) intercalado entre el transductor (1) y el integrador (2), adecuado para conectar sucesivamente el transductor (1) sobre la entrada del transistor de inyección (21), luego sobre una tensión de referencia (Vref) a la que está igualmente conectada la entrada positiva del amplificador diferencial (20').
Description
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DESCRIPCION
Detector matricial de impulsos láser con suma rápida
El campo de la invención es el de los detectores matriciales usados para la imagenología activa y más particularmente el de los detectores matriciales de impulsos de recurrencia de detección elevada.
La imagenología activa implementa una fuente de iluminación láser que ilumina el objetivo con unos impulsos generalmente cortos y de escasa recurrencia. El objetivo refleja hacia el detector una cantidad de fotones fuertemente reducida por la absorción de la atmósfera, la distancia de observación, el poder reflector del objetivo.
Una primera solución para detectar unos trenes de impulsos de recurrencia elevada consiste en usar una duración de integración larga durante la que varios impulsos sucesivos se integran antes de ser leídos como se ilustra en la figura 1a. Esta solución perjudica el contraste de la imagen integrando, entre cada llegada de impulso reemitido por el objetivo, el flujo parásito retrodifundido en cada emisión, así como el que proviene del fondo de escena. De hecho, el flujo parásito atmosférico puede alcanzar aproximadamente 108 fotón/s/cm2 mientras que la señal recibida es del orden de 103: por lo tanto, la señal recibida es fuertemente ruidosa. Además, el flujo parásito puede ser retrodifundido por la atmósfera cercana, pero igualmente por la óptica del dispositivo de imagenología si esta es común al emisor y al receptor.
Para no registrar este flujo de fotones parásito, otra solución consiste en "obturar ópticamente" el detector en cada emisión de impulso, siendo la obturación desactivada justo antes de la llegada del impulso retrodifundido por el objetivo, como se ilustra en la figura 1b. Cada impulso es sucesivamente integrado, luego leído.
Se recuerda que cada fotodetector de un detector matricial comprende un transductor tal como un fotodiodo que convierte los fotones recibidos en electrones proporcionalmente a la iluminación recibida; estas cargas eléctricas se integran, a continuación, por un integrador y se convierten proporcionalmente en tensión. Un circuito de lectura multiplexa las señales de lectura procedentes de todos los integradores y genera una señal de vídeo de salida que contiene las informaciones de luminancia del detector matricial.
La obturación del detector durante la emisión de un impulso está realizada actualmente ya sea por retención bajo reset del integrador asociado a cada fotodiodo, ya sea por derivación de la corriente de los fotodiodos aguas arriba del integrador. Preferentemente, la deriva de la corriente antes de la entrada del integrador se activa antes y justo después de la detección del impulso, estando, de este modo, la duración efectiva de la integración limitada a una franja temporal extremadamente corta que permite una mejor identificación del objetivo eliminando la información que proviene del segundo plano de la escena.
El diseño de los detectores matriciales IR está dirigido por la aplicación que, hasta recientemente, consistía en realizar un detector capaz de imagenología pasiva en una de las bandas espectrales de transmisión atmosférica situada más allá de 1 pm.
Según el patrón espectral explotado, la amplitud del flujo de escena a detectar, la sensibilidad buscada, la resolución espacial del detector, el tamaño de los píxeles, la frecuencia de trama, ..., se han desarrollado y optimizado diversas arquitecturas de detectores.
Las principales arquitecturas catalogadas son:
"SFD" para Source Follower por diodo,
"DI" para circuito de inyección directa,
"BDI" para circuito de inyección directa contrarreaccionada o "buferizada",
"GMI" para circuito de modulación de rejilla o de espejo de corriente,
"CTIA" para amplificador transimpedancia en bucle por capacidad de integración.
Las principales características, prestaciones y aplicaciones de estas arquitecturas se describen en el artículo "A Review of Infrared Readout Electronics for Space Science Sensors" de Bedabrata Pain y Eric R, Fossum (SPIE Vol. 2020 Infrared Technology XIX 15 de julio, 1993)
El detector "SFD" realizado a menudo para unas aplicaciones de astronomía, está bien adaptado para la realización de grandes matrices de paso muy pequeño. Su nivel de ruido es escaso a muy baja temperatura, pero sufre una mala linealidad y una escasa dinámica instantánea.
El detector "DI" es el más comúnmente realizado. De entre sus principales inconvenientes, se señala:
- una fuerte degradación de sus prestaciones durante la detección de flujos muy escasos debido a un aumento rápido de la impedancia del transistor de conexión entre diodo y capacidad de integración,
- una escasa banda pasante incompatible con la detección de impulsos de escasas amplitudes y de recurrencias elevadas.
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El detector "BDI" cuya arquitectura es similar a la del detector "DI" de inyección directa con un amplificador operacional inversor entre fotodiodo y transistor de inyección, presenta un riesgo de inestabilidad (entrada en oscilación) durante la detección de impulsos luminosos breves y de grandes amplitudes.
Los detectores "GMI" permiten la detección de flujos muy escasos y presentan unos niveles de ruido en entrada extremadamente escasos, lo que ha conllevado su explotación para la detección en banda 1 (InGaAs a 1,7 |jm). Una segunda ventaja reside en la capacidad de ajustar la ganancia de conversión en tiempo real y de adaptarla de manera sencilla a los niveles de flujo detectado. Los inconvenientes mayores del detector "GMI" son:
- una no linealidad bastante fuerte y, sobre todo, una fuerte dispersión en ganancia y en offsets entre fotositio (píxel),
- un crecimiento rápido de la ocupación del fotositio para unas bandas pasantes elevadas y de escasos niveles de ruido.
El detector "CTIA" es un amplificador inversor con una capacidad de integración usada en bucle de contrarreacción. Los niveles de ruido, la linealidad y las bandas pasantes alcanzadas están entre las con más prestaciones y hacen de ello un detector bien adaptado para la detección de flujos muy escasos (<106 fotón/s/cm2) y para la detección de monoimpulsos láser breves.
Durante la fase de integración, las cargas suministradas por el fotodiodo se almacenan sobre el nodo de entrada del amplificador y es una copia precisa del montante de esta carga la que se recopia sobre la capacidad de integración. La carga integrada se conserva hasta la evacuación de la presente a la entrada del amplificador. Esta se suprime normalmente por cortocircuito de la capacidad de integración (reset), pero se evacua igualmente de manera lenta por la resistencia de fuga del fotodiodo, fijando, de este modo, una frecuencia de corte baja.
En un modo de detección de impulsos aislados recurrentes con, entre cada impulso las operaciones de obturación rápida y de reset del fotodiodo (para asegurar una protección contra la retrodifusión y una integración de la señal de fondo demasiado fuerte), la carga acumulada en entrada del amplificador, como continuación a la detección de un impulso anterior, se evacua parcialmente durante la reconexión del fotodiodo debido a la ganancia finita del amplificador del integrador. De ello resulta una dificultad importante para realizar una función de postintegración lineal.
Al final de los años 90, el interés emergente por la imagenología pasiva de muy bajo nivel de luz, en particular, en la primera banda espectral de lo infrarrojo y para la imagenología activa condujo al desarrollo de detectores matriciales capaces de detectar unas corrientes muy escasas y unos impulsos cortos de amplitudes muy escasas. Un detector de este tipo, de entre los primeros, se describe en el artículo "Very Wide Dynamic Range SWIR Sensors for Very Low Background Applications" de Robert F. Cannata et al (Indigo Systems Corporation). Se trata de un detector de tipo CTIA de doble ganancia y coeficiente de amplificación muy fuerte.
El documento europeo EP 1 515 541 describe un detector de impulsos luminosos en el que un fotodetector está conectado sucesivamente a un integrador, luego a una tensión de referencia durante un periodo de integración.
El documento de los Estados Unidos US 6 384 413 describe un píxel cuya arquitectura es del tipo BDI. Pero todos estos detectores sufren varios inconvenientes. En efecto:
- Cada iluminación y adquisición debe estar espaciada por varios milisegundos, necesarios para la lectura del detector, luego para su reinicialización; un detector de este tipo está, de este modo, limitado a una cadencia de aproximadamente 10 Hz, incluso a una pérdida de información entre 2 impulsos.
- Unos detectores de este tipo funcionan con una postintegración convencional, es decir, fuera de plano focal, con una lectura para cada impulso, lo que aumenta el ruido de lectura durante esta fase de postintegración.
La finalidad de la invención es obtener un detector de impulsos de cadencia elevada que presenta una relación señal/ruido elevada.
Más precisamente, la invención tiene como objeto un detector de impulsos luminosos de inyección directa contrarreaccionada que incluye una matriz de fotodetectores, comprendiendo cada fotodetector un transductor y un integrador que incluye un transistor de inyección MOSFET montado en rejilla común, un amplificador de contrarreacción, una capacidad de integración. El amplificador de contrarreacción es un amplificador diferencial inversor en cascada cuya entrada negativa está conectada a la entrada del transistor de inyección y cuya salida está conectada a la rejilla de este transistor. Está principalmente caracterizado porque comprende para cada fotodetector un circuito de demultiplexación intercalado entre el transductor y el integrador, adecuado para conectar sucesivamente el transductor sobre la entrada del transistor de inyección, luego sobre una tensión de referencia a la que está igualmente conectada la entrada positiva del amplificador diferencial. Según una característica de la invención, el circuito de demultiplexación comprende dos transistores ®gat¡ng y Qgatmg controlados en oposición de fase con vistas a asegurar una obturación rápida del fotodetector.
El cierre del primer transistor o conmutador conecta el transductor a una tensión de referencia (Vref) aplicada a la entrada del amplificador inversor, mediante la escasa resistencia del conmutador; la apertura del segundo transistor
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o conmutador aísla el fotodetector de su integrador. La reconexión del integrador al fotodetector se obtiene por apertura del primer conmutador y cierre simultáneo del segundo conmutador.
Preferentemente, el detector comprende una capacidad de contrarreacción Cbl colocada en paralelo del amplificador diferencial, adecuada para optimizar la banda pasante de este amplificador.
Comprende ventajosamente un transistor pantalla Mpan colocado entre la salida del transistor de inyección Miny y la capacidad de integración Cint.
Eventualmente, comprende, además, un circuito de memorización conectado al integrador.
Los impulsos luminosos son, por ejemplo, unos impulsos IR que tienen una cadencia superior a algunos cientos de Hz.
La invención se refiere igualmente a un procedimiento de detección de impulsos luminosos por medio de una matriz de fotodetectores, que comprende para cada fotodetector unas etapas de integración de cargas por medio de un integrador, luego de lectura de estas cargas, caracterizado porque la etapa de integración comprende:
- una etapa de apertura del integrador durante la recepción de cada impulso, luego de obturación del integrador entre dos recepciones por el circuito de multiplexación,
- de suma de las cargas integradas por el integrador sobre varios impulsos,
y porque la etapa de lectura comprende una lectura de la suma de las cargas integradas sobre varios impulsos.
La apertura del integrador se obtiene ventajosamente por dos conmutadores que funcionan en oposición de fase.
Incluyendo cada fotodetector un transductor, la obturación del integrador se obtiene por cierre de un primer conmutador y apertura simultánea del segundo conmutador. El cierre del primer conmutador conecta el transductor a una tensión de referencia (Vref) mediante la escasa resistencia del conmutador y la apertura del segundo conmutador aísla el fotodetector de su el integrador. La reconexión del integrador al fotodetector se obtiene por apertura del primer conmutador y cierre simultáneo del segundo conmutador.
Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con la lectura de la descripción detallada que sigue, hecha a título de ejemplo no limitativo y con referencia a los dibujos anexos en los que:
las figuras 1a y 1b ya descritas ilustran esquemáticamente el funcionamiento de dos detectores según el estado de la técnica, teniendo el primero (fig. 1a) una duración de integración durante la que se integran varios impulsos antes de ser leídos, teniendo el segundo (fig. 1b) una duración de integración limitada a la del impulso retrorreflejado, estando cada integración seguida de una lectura,
la figura 2 ilustra esquemáticamente el funcionamiento de un detector según la invención,
la figura 3 representa esquemáticamente los principales elementos de un ejemplo de detector "BDI" según el estado de la técnica,
la figura 4 representa esquemáticamente los principales elementos de un ejemplo de detector según la invención. De una figura a la otra, los mismos elementos se localizan por las mismas referencias.
El detector según la invención es un detector de obturador rápido adecuado para detectar unos impulsos cortos de alta cadencia y sumarlos (postintegrar) antes de leerlos, como se ilustra en la figura 2. En primer lugar, están representados en esta figura en función del tiempo, el flujo útil correspondiente a los impulsos retrorreflejados por el objetivo y el flujo parásito que proviene del fondo de escena y el que resulta de la retrodifusión atmosférica en la emisión (y/o eventualmente de la óptica del dispositivo). Debajo están indicadas la sucesión de las ventanas de integración, estando la integración desactivada cuando el fotodetector está ópticamente obturado, es decir, entre dos impulsos retrorreflejados por el objetivo; de este modo, se elimina el flujo retrodifundido en la emisión. A medida que estas ventanas de integración se suceden, las cargas integradas por la capacidad de integración del fotodetector (representadas debajo) se acumulan para ser leídas en una vez después de recepción de varios impulsos.
Los impulsos son unos impulsos láser y más generalmente unos impulsos luminosos.
El detector según la invención está basado en la configuración de un detector de tipo BDI, es decir, de inyección directa contrarreaccionada.
Un detector de tipo BDI descrito en relación con la figura 3, comprende:
- un transductor 1 tal como un fotodiodo 10 con en paralelo una capacidad de detección 11,
- un integrador 2 que comprende
o un transistor 21 MOSFET (Miny) montado en rejilla común y usado como transistor de inyección, o un amplificador operacional inversor 20 entre el transductor 1 y el transistor de inyección 21, que tiene una función de contrarreacción que permite reducir la impedancia del transistor de inyección proporcionalmente a la
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ganancia del amplificador y, por consiguiente, aumentar en las mismas proporciones la banda pasante de la inyección,
o una capacidad de integración 22 y su transistor de nueva puesta a cero 23.
Este detector comprende ventajosamente un circuito de memorización 3 que consta de una capacidad de memorización "Sample and Hold" 30, un transistor asociado 31 y un amplificador 32.
Según la invención, el detector 100 comprende, además, los siguientes elementos que se ven en la figura 4:
- Un demultiplexor 4 que conecta sucesivamente el transductor 1 sobre una tensión de referencia (Vref), luego sobre la entrada del transistor de inyección (Miny). Este demultiplexor comprende unos transistores ®gat¡ng 41 y Ogating 42 que están controlados en perfecta oposición de fase, con el fin de minimizar la inyección de cargas relacionada con el cierre del transistor 41 Ogating y su impacto sobre la modulación de potencial del nodo de entrada 24 del integrador 4.
- Un amplificador diferencial inversor en cascada (A) 20', de grandes ganancia y banda pasante, colocado en un bucle de contrarreacción entre la entrada del transistor de inyección 21 y la rejilla de este transistor. Este amplificador estabiliza el potencial de entrada del transistor de inyección 21 y aumenta con ello la banda pasante. La banda pasante del amplificador está preferentemente ajustada por una capacidad 25 de contrarreacción CBL, para evitar las oscilaciones del circuito durante la detección de impulsos rápidos de grandes amplitudes. Su optimización se hace en función de las características de los impulsos a detectar (amplitud, duración y recurrencia).
Preferentemente, el integrador 2 comprende, además, un transistor pantalla 26 (Mpan) colocado entre la salida del transistor de inyección 21 (Miny) y la capacidad de integración 22 (Cint), que realiza un montaje cascada que permite minimizar la modulación del potencial del drenaje del transistor de inyección en función de la carga integrada, aumentando, de este modo, el desacoplamiento entre la capacidad de integración 22 y la entrada 24 del integrador. Ventajosamente, este transistor 26 funciona en saturación, lo que limita la descarga máxima del potencial de la capacidad de integración 22 a Vpan-Vth-5.0T (Vpan= potencial constante de la rejilla del transistor pantalla, Vth= tensión de umbral del transistor pantalla y OT=potencial térmico).
El transductor 1 comprende una resistencia de fuga (resistencia shunt) 12 cuyo valor limita el tiempo máximo asignado a la detección (constante de tiempo: (Cdet+Cstray)Rsh). Se ha indicado en la figura una capacidad Cstray 27 para materializar una capacidad parásita del integrador.
Esta arquitectura permite:
- una transferencia rápida de los fotoelectrones generados por el transductor 1 hacia el nodo de integración 22 (capacidad),
- un aislamiento casi perfecto entre nodo de integración 22 y transductor 1,
- una fijación precisa de los potenciales del transductor 1 y de la entrada 24 del integrador a un valor constante durante las fases de obturación y de integración,
- la posibilidad de uso de grandes capacidades de integración que permiten la suma de un gran número de impulsos.
De este modo, se obtiene un detector matricial adecuado para detectar unos impulsos luminosos emitidos de una cadencia elevada que puede rebasar varias decenas de kHz.
El detector según la invención funciona de la siguiente manera.
En fase de emisión láser, el transistor o conmutador 42 Ogating está cerrado y conecta el transductor 1 a la tensión Vref aplicada a la entrada del amplificador 20' mediante una resistencia muy escasa Rgating tradicionalmente inferior a algunos cientos de O. La constante de tiempo Cdet.Rgating muy escasa permite una evacuación rápida de la corriente generada por el fotodiodo en respuesta a la retrodifusión parásita en el momento de la emisión.
Antecediendo al retorno del impulso láser retrodifundido por el objetivo, el transistor o conmutador 42 Ogating está abierto, desconectando el fotodiodo de la tensión de referencia Vref. Simultáneamente, el transistor o conmutador 41 ®gat¡ng está cerrado y conecta el fotodiodo sobre la entrada del integrador 2.
El amplificador 20' diferencial de contrarreacción "A" de gran ganancia (tradicionalmente superior a 60 dB) retiene con precisión el potencial Vref sobre el transductor 1 y la entrada 24 del integrador.
A la recepción del retorno del impulso láser retrodifundido por el objetivo, la corriente generada por el transductor 1 atraviesa el transistor de inyección 21 y se integra en la capacidad Cint 22 con una constante de tiempo Cdet/((A+1).Gm), siendo A la ganancia del amplificador, Gm la transductancia del transistor de inyección.
En régimen de escasa inyección, Gm es independiente del tamaño del transistor 21 y varía proporcionalmente a la corriente liny inyectada (Gm» (q.liny)/(KT)) (q=carga del electrón, K=constante de Boltzmann, T=temperatura del
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componente). De este modo, a título de ilustración, un impulso de corriente de 1.000 fotoelectrones en 100 ns proporcionado por un detector de 200 fF de capacidad que funciona a 77 K acoplada a un integrador BDI cuyo amplificador tiene una ganancia de 60 dB, se transferirá sobre la capacidad de integración con una constante de tiempo inicial de 2 ns (fuera de limitación por la banda pasante finita del amplificador).
Al final de transferencia, el transistor o conmutador 41 ®gat¡ng está de nuevo abierto y el transistor o conmutador 42 Ogating cerrado reconectando, de este modo, el transductor 1 a la fuente de baja impedancia de tensión de referencia, en espera de una nueva fase de emisión.
De este modo, se transfieren y suman varios impulsos en la capacidad de integración Cint 22 en el transcurso de un mismo periodo de trama. El resultado de la suma es leído, a continuación, en algunos milisegundos.
El detector según la invención tiene, de este modo, como ventajas:
- que ya no está limitado en cadencia de detección debido, en concreto, a la cadencia limitada del circuito de lectura y que no reduce la pérdida de informaciones entre 2 impulsos y que puede funcionar, de este modo, a una cadencia de aproximadamente 20 kHz,
- que disminuye la degradación de la relación señal sobre ruido aportada por el ruido adicional de cada lectura, puesto que se tiene una sola lectura para varios impulsos detectados, luego sumados en el integrador, gracias a la postintegración dentro mismo del detector previamente a su lectura y no fuera de plano focal.
Claims (13)
- 510152025303540REIVINDICACIONES1. Detector (100) de impulsos luminosos de inyección directa contrarreaccionada que incluye una matriz de fotodetectores, comprendiendo cada fotodetector un transductor (1) y un integrador (2) que incluye un transistor de inyección (21) MOSFET montado en rejilla común, un amplificador de contrarreacción, una capacidad de integración (22), el amplificador de contrarreacción es un amplificador (20') diferencial inversor en cascada cuya entrada negativa está conectada a la entrada del transistor de inyección (21) y cuya salida está conectada a la rejilla de este transistor, caracterizado porque comprende para cada fotodetector un circuito de demultiplexación (4) intercalado entre el transductor (1) y el integrador (2), adecuado para conectar sucesivamente el transductor (1) sobre la entrada del transistor de inyección (21), luego sobre una tensión de referencia (Vref) a la que está igualmente conectada la entrada positiva del amplificador diferencial (20').
- 2. Detector (100) matricial según la reivindicación anterior, caracterizado porque el circuito de demultiplexación (4) comprende dos transistores ®gat¡ng (41) y Ogatmg (42) controlados en oposición de fase con vistas a asegurar una obturación rápida del fotodetector.
- 3. Detector (100) matricial según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una capacidad de contrarreacción Cbl (25) colocada en paralelo del amplificador diferencial (20'), adecuada para optimizar la banda pasante de este amplificador.
- 4. Detector (100) matricial según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un transistor pantalla Mpan (26) colocado entre la salida del transistor de inyección (21) y la capacidad de integración (22).
- 5. Detector (100) matricial según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el transductor (1) comprende un fotodiodo (10).
- 6. Detector (100) matricial según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende, además, un circuito de memorización (3) conectado al integrador (2).
- 7. Detector (100) matricial según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los impulsos luminosos son unos impulsos IR.
- 8. Detector (100) matricial según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los impulsos luminosos tienen una cadencia superior a algunos cientos de Hercios.
- 9. Procedimiento de detección de impulsos luminosos por medio de un detector según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende para cada fotodetector unas etapas de integración de cargas por medio de un integrador, detrás la lectura de estas cargas, caracterizado porque la etapa de integración comprende:a. una etapa de apertura del integrador durante la recepción de cada impulso, detrás la obturación del integrador entre dos recepciones por el circuito de demultiplexación (4),b. de suma de las cargas integradas por el integrador (2) sobre varios impulsos,y porque la etapa de lectura comprende una lectura de la suma de las cargas integradas sobre varios impulsos.
- 10. Procedimiento de detección de impulsos luminosos según la reivindicación anterior, caracterizado porque la apertura del integrador se obtiene por dos conmutadores que funcionan en oposición de fase.
- 11. Procedimiento de detección de impulsos luminosos según la reivindicación anterior, caracterizado porque cada fotodetector incluye un transductor, la obturación del integrador se obtiene por cierre de un primer conmutador y apertura simultánea del segundo conmutador.
- 12. Procedimiento de detección de impulsos láser según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque los impulsos luminosos son unos impulsos IR.
- 13. Procedimiento de detección de impulsos láser según una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque los impulsos luminosos tienen una cadencia superior a algunos cientos de Hercios.
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