KR20120106865A - 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 스팟을 검출하고 위치시키기 위해 사용되는 데비오미터의 분야인 것이며, 보다 정확하게는 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디바이스는, 화소들 (INT) 의 매트릭스를 나타내는 판독 회로 (ROIC), 단일 기판 (S) 상에 제조되고, 각각이 개별 전극을 포함하는 포토다이오드들의 매트릭스 (PH), 레이저 펄스 검출 디바이스 (D) 를 포함한다. 이러한 디바이스의 특징은 실제로 상기 포토다이오드들의 매트릭스 (PH) 가, 판독 회로의 화소들 (INT) 과 콘택하여 배치된, 인듐과 같은 플렉서블한 도전성 재료로 제작된 볼들 (B) 에 의해 상기 판독 회로 (ROIC) 상에 하이브리드화되어서, 상기 단일 기판 (S) 이 포토다이오드들 (PH) 의 세트와 공통인 전극을 구성하고 상기 개별 전극들은 상기 볼들 (B) 에 의해 상기 화소들 (INT) 에 연결되는 것에 있다.

Description

매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출 디바이스{DEVICE FOR DETECTING LASER SPOT WITH MATRIX DEVIOMETER}

본 발명은 레이저 스팟들을 검출하고 위치시키기 위해 사용되는 데비오미터들의 분야인 것이며, 보다 정확하게는 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출기에 관한 것이다.

이러한 유형의 디바이스는 특히 레이저 유도 무기류 (laser-guided weaponry) 또는 레이저 지시 포드 (laser designation pod) 에 대한, 기준선 서보제어 (servocontrol) 시스템들에 사용된다.

공지된 바와 같이, 데비오미터들은 레이저 스팟의 검출 및 상기 스팟의 트랙킹의 이중 기능을 확보하는 것이 가능하다. 이를 위해, 종래 기술의 데비오미터들은 2 단계로 진행된다.

● 초기에, 데비오미터들은 스팟의 기점에서 레이저 방출의 인스턴트들의 측정에 대응하는, 연관된 레이저 스팟에 대한 방출 코드의 식별 및 레이저 플래시들의 검출을 확보한다;

● 그 후에, 데비오미터들은 4-사분면 검출기에 레이저 스팟을 집중시키기 위해 서보제어에 의해, 상기 4-사분면을 갖는 검출기 상의 레이저 스팟의 위치의 측정을 확보한다.

이러한 공지된 데비오미터들의 주요 결함은 다음과 같다 :

● 데비오미터들은 관측된 필드의 크기와 디바이스의 감도 사이에서 충돌을 나타내는데, 즉 관측된 필드가 증가하면 할수록 노이즈는 더욱 상당해지고 감도는 더욱 감소된다;

● 4-사분면 검출기 상의 레이저 스팟의 위치 측정의 정확도는 현재 요구들에 관하여 불충분하다.

특히, 정확도 및 감도를 고려하여 이러한 데비오미터들의 성능을 현저하게 개선하기 위해, 매트릭스 기술들을 완전히 개발할 필요가 있음이 선험적으로 판명되었다.

제시된 주요 해결책들은 US 2003/0209650 및 US 2003/0205663 특허들에 설명되어 있다.

US 2003/0209650 특허의 경우에는, 큰 치수의 필드에 4-사분면 검출기를 대체하는 것을 가능하게 하는 소형의 재구성가능한 매트릭스의 구성으로 이루어진 스킴이 개시되어 있다. 이와 같은 포토다이오드들의 소형의 재구성가능한 매트릭스는 레이저 스팟의 포지션의 빠른 검출을 허용한다. 이러한 포지셔닝은 포토다이오드들의 매트릭스 상에서 레이저 스팟의 정확한 포지션 쪽으로 중심을 두도록 시계에서의 반복적인 감소에 의해 행해진다.

US 2003/0205663 특허에는, "인텔리전트 (intelligent) " 화소들 그 자체가 그 자신의 내재된 전자 장치들을 갖는 매우 많은 독립적인 검출기들의 역할을 확보한다는 점에서, 상기 "인텔리전트" 화소들의 매트릭스를 나타내는 판독 회로를 포함하는 데비오미터가 개시되어 있다. "인텔리전트" 화소들은 검출된 레이저 펄스를 저장하기 위해 용량을 갖는다. 그 후, 화소들의 세트에 전체적인 "OR" 가 적용되어, 매트릭스 상의 레이저 스팟의 포지션의 정확한 결정을 허용한다.

공지된 레이저 스팟 검출기들은 그들이 구현하는 기술의 기능으로서 다양한 결점들을 나타낸다. 4-사분면 검출기는, 빠르고 연속적인 감시를 허용하지만, 관측된 필드의 크기에 따라 급격히 감소하는 감도를 갖는다. 매트릭스 솔루션들은 특히 "인텔리전트" 화소들에 관하여, 복잡하고 따라서 값비싼 전자 장치들을 필요로하는 결함을 나타낸다. 게다가, 이와 같은 "인텔리전트 화소들"은, 그 복잡성 때문에 제한된 측정 정확도를 수반하여 반드시 50㎛ 보다 큰, 상당한 치수들을 나타낸다. 또한, 전자 장치들은 포토다이오드들을 방해하고 매우 많은 광자 (photon) 들의 손실을 야기한다.

마지막으로, 공지된 매트릭스 데비오미터 기술들은 레이저 펄스의 도달을 검출하도록, 잠재적으로 긴 인터그레이션 (integration) 시간에 걸쳐, 화소들의 세트의 연속적인 판독을 필요로 한다. 이와 같은 긴 인터그레이션 시간들은 상당한 노이즈를 야기하고, 이에 따라 검출기의 감도를 감소시킨다.

본 발명의 목적은 상술한 결점들을 현저하게 감소시키는 것이다. 이로써, 본 발명에 따른 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출기는, 레이저 스팟 검출 및 화소들의 매트릭스 상의 그 포지셔닝의 정확한 검출을 확보하면서, 신호 대 노이즈 비, 관측된 필드의 크기 그리고 낮은 비용에 관하여 개선된 성능을 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 스팟 검출기는, 실리콘 기판들 상에서만 전적으로 구현되어 특히 근적외선에서 감소된 양자 효율을 나타내는 매트릭스 기술들에 의존하는 공지된 디바이스들과는 대조적으로, 근적외선에 위치된 파장들에 대해 특히 효과적이라는 것에 주목해야 한다.

이러한 목적에 대하여, 본 발명의 청구물은 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출 디바이스로서,

● 화소들의 매트릭스를 나타내는 판독 회로,

● 단일 기판 상에 제조되고, 각각이 개별 전극을 포함하는, 포토다이오드들의 매트릭스, 및

● 레이저 펄스 검출 디바이스를 포함하고,

상기 포토다이오드들의 매트릭스는, 상기 판독 회로의 화소들과 콘택하여 배치된, 인듐과 같은 플렉서블한 도전성 재료로 제작된 볼들에 의해 상기 판독 회로 상에 하이브리드화되어서, 상기 단일 기판이 포토다이오드들의 세트와 공통인 전극을 구성하고 상기 개별 전극들은 상기 볼들에 의해 상기 화소들에 연결되는 것을 특징으로 한다.

제 1 실시형태에 의하면, 상기 레이저 펄스 검출 디바이스는 판독 회로에 집적된다.

제 2 실시형태에 의하면, 상기 레이저 펄스 검출 디바이스는 단일 기판에 집적된다.

제 3 실시형태에 의하면, 상기 레이저 펄스 검출 디바이스는 단일 기판 및 판독 회로와 독립적이며, 상기 단일 기판에 전기적으로 접속된다.

유리하게, 본 발명에 따른 디바이스는,

● 상기 단일 기판이 판독 회로 상에서 상기 레이저 스팟에 대응하는 레이저 펄스의 도달을 검출하도록 상기 레이저 펄스 검출 디바이스와 협력하고, 이를 위해 포토다이오드들의 세트가 단일 포토다이오드로 여겨지며,

● 적절한 인터그레이션 시간 동안 판독되는 상기 화소들의 매트릭스 상의 상기 레이저 스팟의 위치는, 레이저 스팟의 무게중심을 계산하는 기법으로 구성된 "웨잉(weighing)" 기법에 의해 확보되어, 화소의 크기보다 작은 정확도로 상기 화소들의 매트릭스 상에 상기 레이저 스팟을 위치시키는 것을 가능하게 하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

유리하게, 상기 레이저 펄스 검출 디바이스는 상기 레이저 스팟에 대응하는 상기 레이저 펄스의 주파수를 측정하여, 동일 레이저 스팟에 대응하는 후속 레이저 펄스의 도달 시간을 계산하는 것을 가능하게 한다.

유리하게, 상기 화소들의 매트릭스의 판독과 연관된 상기 인터그레이션 시간은 상기 후속 레이저 펄스의 도달 시간에 실질적으로 중심을 둔다.

유리하게, 본 발명에 따른 디바이스는 상보형 레이저 스팟 고속 로케이션 전자 디바이스 (complementary laser spot fast location electronic device) 를 더 포함한다.

본 발명의 일 구현에 있어서, 상기 포토다이오드 매트릭스는 CMOS 타입일 수 있다.

유리하게, 상기 볼들은 인듐으로 이루어진다.

유리하게, 상기 단일 기판은,

● 실리콘; 또는

● InGaAs 로 이루어진다.

유리하게, 상기 단일 기판은 n 도핑될 수 있다.

유리하게, 상기 단일 기판은 p 도핑될 수 있다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 나타낸 첨부 도면들과 관련하여 다음에 제공되는 설명에 의해 명백해질 것이다.
● 도 1 : 본 발명에 따른 레이저 스팟 검출기의 일반적인 다이어그램;
● 도 2 : 레이저 펄스의 도달을 검출할 수 있는 포토다이오드들의 동작을 나타내는 다이어그램;
● 도 3 : 본 발명에 따른 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출기의 기본 다이어그램.

도 1은 본 발명에 따른 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟의 일반적인 구조도를 나타낸다. 도 1에서 가시화되지 않은 화소들의 매트릭스가 기판 상에 배열되어, 통상적으로 판독 집적 회로 (Read Out Integrated Circuit) 의 약자 ROIC로 표시되는 판독 회로 (ROIC) 를 형성한다.

포토다이오드들 (PH) 의 매트릭스가 적절한 반도전성 재료로 제작된 단일 기판 상에 구성된다. 이 반도전성 재료는 검출하고자 하는 레이저의 파장에서 광감성이어야 한다.

예시적인 반도전성 재료로서, 특히 가시적인 매우 근적외선에서 실리콘을 사용하는 것이 가능하게 된다. 근적외선에서, 예를 들어 [0.9㎛, 1.7㎛] 대역에서의 레이저 스팟 검출을 위해, InGaAs을 사용하는 것이 가능하게 된다.

일반적으로, 포토다이오드들 (PH) 의 매트릭스는 임의의 적절한 반도전성 재료, 즉 관측된 파장에 대해 우수한 양자 효율을 갖는 재료일 수 있다.

포토다이오드들의 매트릭스는 이상적으로 CMOS 타입일 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 상기 포토다이오드들 (PH) 의 매트릭스가, 큰 치수의 단일 포토다이오드로 간주하도록 구성되면, 포토다이오드들 (PH) 의 매트릭스가 배열되는 단일 기판의 구성 요소인 광감성 층을 스트라이킹하는 광자들 (L) 의 형태로 나타낸, 레이저 펄스의 도달의 빠른 검출을 허용한다. 실제로, 상기 검출은 종래 기술에서 선택되고 도 3의 다이어그램에서 나타낸 적절한 전자 디바이스 (D) 에 의해 작동된다. 이 전자 펄스 디바이스 (D) 는 단일 기판에 의해 형성된 전극에 접속된다. 그것은 집적 회로 (ROIC) 상에 집적될 수 있거나 또는 상기 단일 기판에 전기적으로 연결될 수 있다.

포토다이오드들 (PH) 은 플렉서블한 도전성 재료, 예를 들어 인듐으로 제작된 볼들에 의해 판독 회로 (ROIC) 의 화소들에 연결된다.

광자들 (L) 이 포토다이오드들 (PH) 을 서포팅하는 광감성층을 스트라이크할 때, 도 2는 상기 포토다이오드들이 주지된 물리적 현상에 따라 광자들 (L) 의 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 이어서 전자-정공 쌍들을 형성할 수 있는 것을 나타낸다. 도 2에서의 예시에 의해, 광감성 반도전성 재료의 단일 기판은 p-도핑되고, 포토다이오드들의 형성이 작은 n+ 존들의 레벨에서 연속적으로 완료되며; 이러한 포토다이오드에 광자가 도달할 때, 전류는 도 1에 나타낸 볼들 (B) 에 의해 이미저 기능을 확보하는 판독 회로 (ROIC) 에 전달된다.

도 3은 본 발명에 따른 매트릭스 데비오미터를 갖는 검출기의 동작을 도시한다.

보여지는 바와 같이, 단일 기판 (S) 에 접속되거나 또는 회로 (ROIC) 에 집적된 펄스 검출 전자 디바이스 (D) 는, 초기에, 포토다이오드들 (PH) 의 매트릭스 상의 레이저 펄스의 도달을 검출한다. 다음에 수신된 레이저 펄스에서, 판독 회로 (ROIC) 의 화소들 (INT) 은 인터그레이션 시간 동안 판독된다. 또한, 판독 회로 (ROIC) 는 화소들 (INT) 상에서 판독되는 정보의 함수 (function) 로서 이미지를 구성하는 멀티플렉서 (X) 를 포함한다.

공지된 웨잉 기법에 의해, 매트릭스 데비오미터를 갖는 검출기는, 포토다이오드들 (PH) 의 매트릭스에 대해 레이저 스팟의 포지션을 정확히 위치시키는 것을 가능하게 한다. 이 웨잉 기법은, 서브 화소 정확도를 가지고, 즉 화소의 크기보다 작은 정확도를 가지고, 화소들의 매트릭스 상에 상기 레이저 스팟을 위치시키기 위하여, 레이저 스팟의 무게 중심의 포지션을 계산하는 것으로 되어 있다.

본 발명의 구현의 바람직한 모드에 따라, 본 발명에 따른 레이저 스팟 검출기는 검출된 레이저 펄스의 주파수를 결정하는 수단을 포함한다.

이러한 기능은 일반적으로 펄스 검출 전자 디바이스 (D) 에 의해 확보된다. 이러한 파라미터의 중요성은 두 부분으로 되어 있다. 첫번째로는, 레이저의 코드 위상을 식별하는 것을 가능하게 하여, 검출된 레이저가 분명히 검출하고자 했던 바로 그 레이저인 것을 확보한다.

다른 주요 중요성은 펄스 시간 및 이에 따른 동일한 레이저에 대응하는 다음 레이저 펄스의 도달 시간을 계산하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 결과적으로, 동일한 레이저에 대응하는 후속 레이저 펄스의 도달 시간에 중심을 둔 인터그레이션 시간 동안에만, 집적되는 화소들 (INT) 의 판독이 가능하다. 이점은 노이즈를 최소화하고 이에 따라 본 발명에 따른 검출기의 레이저 스팟의 정확도 및 감도를 최적화하는 것을 가능하게 한다는 것이다.

옵션으로, 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출 디바이스는, 고장이 의심되는 포토다이오드들을 제거하거나 또는 의사 발광 지점을 회피하기 위해, 선택되지 않은 화소들을 위한 디바이스를 포함할 수 있다.

이러한 기능은 각각의 포토다이오드 또는 각각의 화소의 레벨에 배치된 소형 온/오프 스위치들에 의해 수행될 수 있다.

요약하면, 본 발명의 청구물은 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출 디바이스이며, 그 주요 이점은 레이저 스팟 검출 목적들을 위해 단일 포토다이오드로서 사용되는, 대형일 수 있는 포토다이오드들의 매트릭스에 의한 높은 검출 속도와, 판독 회로에 속하는 화소들의 매트릭스 상의 상기 포토다이오드들의 볼들에 의한 접속과 웨잉 기법의 구현에 의한 포토다이오드들의 매트릭스 상의 레이저 스팟의 위치의 높은 정확도를 결합하는 것이다.

본 발명은 대형 화소들 및 복잡한 전자장치들을 필요로 하지 않고, 레이저 스팟의 빠른 검출 및 서브 화소 위치를 허용한다.

PH : 포토다이오드
B : 볼
ROIC : 판독회로
L : 레이저 펄스
INT : 화소
S : 단일 기판
D : 레이저 펄스 검출 디바이스

Claims (13)

1. 매트릭스 데비오미터를 갖는 레이저 스팟 검출 디바이스로서,
   ● 화소들 (INT) 의 매트릭스를 나타내는 판독 회로 (ROIC),
   ● 단일 기판 (S) 상에 제조되고, 각각이 개별 전극을 포함하는, 포토다이오드들의 매트릭스 (PH), 및
   ● 레이저 펄스 검출 디바이스 (D) 를 포함하고,
   상기 포토다이오드들의 매트릭스 (PH) 는, 상기 판독 회로 (ROIC) 의 화소들 (INT) 과 콘택하여 배치된, 인듐과 같은 플렉서블한 도전성 재료로 제작된 볼들 (B) 에 의해 상기 판독 회로 (ROIC) 상에 하이브리드화되어서, 상기 단일 기판 (S) 이 포토다이오드들 (PH) 의 세트와 공통인 전극을 구성하고 상기 개별 전극들은 상기 볼들 (B) 에 의해 상기 화소들 (INT) 에 연결되는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 펄스 검출 디바이스 (D) 는 상기 판독 회로 (ROIC) 에 집적되는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 펄스 검출 디바이스 (D) 는 상기 단일 기판 (S) 에 집적되는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 펄스 검출 디바이스 (D) 는 상기 단일 기판 (S) 및 상기 판독 회로 (ROIC) 와 독립적이며, 상기 단일 기판 (S) 에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   ● 상기 단일 기판 (S) 은 상기 판독 회로 (ROIC) 상에서 상기 레이저 스팟에 대응하는 레이저 펄스 (L) 의 도달을 검출하도록 상기 레이저 펄스 검출 디바이스 (D) 와 협력하고, 이를 위해 포토다이오드들 (PH) 의 세트가 단일 포토다이오드 (PH) 로 여겨지며,
   ● 적절한 인터그레이션 시간 동안 판독되는 상기 화소들 (INT) 의 매트릭스 상의 상기 레이저 스팟의 위치는, 레이저 스팟의 무게 중심을 계산하는 기법으로 구성된 "웨잉(weighing)" 기법에 의해 확보되어, 화소 (INT) 의 크기보다 작은 정확도로 상기 화소들 (INT) 의 매트릭스 상에 상기 레이저 스팟을 위치시키는 것을 가능하게 하도록,
   구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 펄스 검출 디바이스 (D) 는 상기 레이저 스팟에 대응하는 상기 레이저 펄스 (L) 의 주파수를 측정하여, 동일 레이저 스팟에 대응하는 후속 레이저 펄스 (L) 의 도달 시간을 계산하는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 화소들 (INT) 의 매트릭스의 판독과 연관된 상기 인터그레이션 시간은 후속 레이저 펄스의 도달 시간에 실질적으로 중심을 두는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상보형 레이저 스팟 고속 로케이션 전자 디바이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 포토다이오드 매트릭스 (PH) 는 CMOS 타입인 것을 특징으로 하는, 레이저 스팟 검출 디바이스.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 볼들 (B) 은 인듐으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 기판 (S) 은,
    ● 실리콘; 또는
    ● InGaAs 로
    이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 기판 (S) 은 n 도핑되는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.
13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 기판 (S) 은 p 도핑되는 것을 특징으로 하는 레이저 스팟 검출 디바이스.

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