NO327834B1 - Fotocelle for pulslaserlys og tilhorende detektor og apparat - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder en fotocelle for fotodeteksjon, og en detektor for pulslaserlys, med en slik fotocelle. Oppfinnelsen gjelder også et apparat for deteksjon av pulslaserlys og med en matrise av detektorer av denne type.

Detektorapparatet er, uten at dette er begrensende, særlig innrettet for å registrere pulslaserlys hvis varighet er meget kort (for eksempel 20 ns), lys som sendes ut i en omgivelse med varierende lysintensitet og ved en forhåndsbestemt frekvens (for eksempel pulserende ved 10 perioder pr. sek. (Hz)). Som et eksempel kan pulslaserlys som skal detekteres eller registreres være sendt ut av en laserkilde som er rettet mot et mål, for eksempel en stridsvogn, for å indikere dennes posisjon slik at den kan lokaliseres av et våpensystem som kan omfatte et missil. Missilet har i så fall et detektorapparat påmontert og for eksempel koplet til missilets automatpilot og fastmontert på dette for innsikting eller observasjon mot rommet fremover, foran missilet. Den informasjon som gjelder lokaliseringen av målet og som tilveiebringes ved hjelp av deteksjonsapparatet videreføres til autopiloten som brukerinformasjonen for å lede missilet mot målet.

En viktig ulempe når det gjelder bruken av et slikt apparat er at man i tillegg til de korte og svake laserlyspulsene som skal registreres også har en rekke andre lyskilder i form av forstyrrelser som kan stamme fra solen eller annet og som i lysmessig sammenheng må anses som bakgrunnsstøy. Dette gjør det ofte meget vanskelig å detektere de ettersøkte laserlyspulser.

Fra patentet FR-2 753 796 kjenner man allerede en fotofølsom detektor for å registrere lysglimt og som omfatter: en fotofølsom diode for omvandling av lysenergi som mottas til en elektrisk strøm, særlig i form av et elektrisk signal, og

midler for behandling av slike signaler som frembringes av dioden, idet midlene omfatter kretser som på den ene side forsterker signalene slik at de far en rask første flanke, tilsvarende et lysblink som mottas av dioden, og på den annen side dempning av signalet som tilsvarer langsommere belysningsforløp inn på den fotofølsomme diode.

En slik detektor kan altså til en viss grad skille en rask lyspuls eller lysglimt fra bakgrunnslysstøy.

Når man imidlertid skal lage en fotofølsom detektor av denne type for en anvendelse så som angitt innledningsvis får man flere problemer man må ta hensyn til, særlig: Et dimensjonsproblem. Detektoren bør ha meget små dimensjoner, for eksempel 70um x 70 um.

Et prisproblem. For å være rentabel bør detektoren være meget billig å fremstille. Et teknisk problem. Detektoren må kunne detektere og skille fra bakgrunns-belysning en laserpuls med kort varighet (for eksempel 20 ns) og med meget liten energi (for eksempel IO'13 J).

Et annet eksempel på en tilpassende fotomottakerkrets som er egnet for kontinuerlig opplæring over lang tid er beskrevet i US 5 376 813.

Målet med denne oppfinnelse er å unngå disse ulemper. Oppfinnelsen gjelder således en fotocelle som kan fremstilles meget billig og som på særlig effektiv måte kan detektere meget korte laserlyspulser med liten energi, pulser som sendes ut i et lysmiljø med varierende forstyrrende belysning.

Således har man kommet frem til en fotocelle av den type som er nærmere angitt i patentkrav 1, nemlig en fotocelle i form av en integrert krets i CMOS-teknologi og med en fotosensor for omvandling av mottatt lysenergi til elektrisk strøm, og en behandlingskrets for viderebehandling av den elektriske strøm som mottas fra fotosensoren, karakterisert ved at behandlingskretsen omfatter en invers kaskodeforsterker (totrinns forsterker) som er parallellkoplet med en motkopling av langsom slave- eller følgetype ("suiveur lent") og med en seriekopling av identiske NMOS-transistorer som tilføres strøm fra samme fotosensor.

På denne måte får man en fotocelle som er særlig effektiv for å isolere (og forsterke) den elektriske strøm som genereres fra en kort lyspuls, i forhold til den generelle elektriske strøm som frembringes av samme fotosensor, men som samtidig inneholder strøm som skyldes lysstøyen. Følgelig far man en grei måte å viderebehandle den strøm i form av signaler, som representerer lyspulsen.

I tillegg, og slik det fremgår av detaljbeskrivelsen nedenfor, har en slik fotocelle ytterligere fordeler. Spesielt er den kompakt, enkel å fremstille og lite følsom for teknologi innbefattende spredning..

Videre er fotocellen billig å fremstille, særlig når den fremstilles som en integrert krets, idet dette gjøres på vanlig måte som ved fremstillingen av andre CMOS-kretser.

Ifølge oppfinnelsen omfatter som nevnt motkoplingen en følgekrets (av langsom type) med flere identiske transistorer av typen NMOS. Transistorene er seriekoplet og tilføres strøm fra fotosensoren. Fortrinnsvis har denne motkopling to slike transistorer.

I tillegg vil fotosensoren i en bestemt og foretrukket utførelsesform gjerne være en fotodiode av typen "caisson-substrat", det vil si et substrat med et fordypningsområde i. En slik fotodiode er særlig egnet for deteksjon av laserpulslys i det infrarøde lysområde.

Oppfinnelsen gjelder videre en detektor som omfatter en fotocelle for pulslaserlys, og fotocellen er slik det er beskrevet ovenfor.

Fortrinnsvis omfatter imidlertid detektoren videre:

et høypassfilter med invertert motkoplet forsterker, og/eller a en komparator med et transistordifferensialpar av typen PMSO og som tilføres ladestrøm fra en transistor av typen NMOS, for å sammenlikne responsen fra fotocellen med en innstillbar terskel, og/eller

en lagercelle.

Videre gjelder oppfinnelsen et apparat for deteksjon av laserlyspulser, karakterisert ved flere detektorer for slikt lys og nærmere angitt i ett av kravene 4-7, idet detektorene omfatter fotoceller utformet på en integrert krets og anordnet langs rekker og spalter i matriseform.

Tegningene som hører til denne beskrivelse hjelper til å forstå hvordan oppfinnelsen kan være utformet og brukes. Samme henvisningstall kan gå igjen fra figur til figur når det gjelder samme eller tilsvarende element.

Fig. 1 viser skjematisk en fotocelle ifølge oppfinnelsen, i en detektor som på sin side hører til et apparat,

fig. 2 og 3 viser skjematisk en forsterker og en følekrets etter fotocellen på fig.l,

fig. 4 viser skjematisk en detektor for pulslaserlys og med en slik fotocelle, det hele ifølge oppfinnelsen, og

fig. 5 viser et utsnitt av et apparat med en rekke slike detektorer.

Fotocellen 1 ifølge oppfinnelsen og vist på fig. 1 er særlig beregnet til deteksjon av lyspulser 2 fra en laser, nemlig meget korte pulser (for eksempel med varighet 20 ns) og med liten energi (for eksempel 10 1 ' X J), idet pulsene 2 sendes i en lysomgivelse med varierende og forstyrrende intensitet, ved en pulsrepetisjonsfrekvens som er forhåndsbestemt og for eksempel kan være 10 Hz).

Fotocellen 1 er i form av en integrert krets i CMOS-teknologi og er av den type som omfatter en fotosensor 3 for omvandling av lysenergi som mottas, til en elektrisk strøm. En behandlingskrets 4 tar seg av denne elektriske strøm som kan være i form av signaler, fra sensoren 3.

Ifølge oppfinnelsen omfatter denne behandlingskrets 4 en såkalt invertert kaskodeforsterker 5 som er tilbakekoplet ved hjelp av en motkopling 6 av typen "langsom slave eller følger" og som tilføres strøm av den som genereres i sensoren 3 når lys faller inn på den. Kretsen 4 frembringer en utgangsspenning Vs som er en funksjon av den påtrykte inngangsspenning Ve fra sensoren 3. Forsterkeren 5 har, slik det er vist på fig. 2, mellom en ladetransistor 7 (tilkoplet driftsspenningen Vb og styrt av en referansespenning Vref.l, og en signaltransistor 8 (som også påtrykkes en inngangsspenning Ve). Transistoren 8 er tilkoplet kretsens gods M og på motsatt side en transistor 9 av samme type som transistoren 8, men koplet som felles base eller styreelektrode. Begge transistorer kan for eksempel være av typen NMOS, det vil si en halvleder med metalloksidkanal av N-materiale. Styreelektroden er påtrykt en andre referansespenning Vref.2. Utgangsspenningen fra forsterkeren 5 er på fig.2 angitt med Vsl, mens spenningen som påtrykkes transistoren 8 angitt med Vel.

Motkoplingen 6 omfatter, slik det er vist på fig. 3, en transistor 10 som på sin styreelektrode mottar tilbakekoplingsspenningen fra forsterkeren 5 og som i tillegg omfatter minst én transistor 11, fortrinnsvis av samme type som transistoren 2 og i serie med denne. Motkoplingens transistorer 10, 11 tilføres strøm fra sensoren 3 og kan ha flere transistorer, særlig av typen NMOS. I en foretrukket utførelse har den imidlertid bare de to viste transistorer 10 og 11, slik det også fremgår av fig.l.

Behandlingskretsen 4 arbeider slik at langsomme variasjoner i den strøm som tilføres motkoplingen 6 fra sensoren 3 gir en kraftig motkopling av forsterkeren 5, mens raske variasjoner blir mindre motkoplet, slik at kretsen 4 mer arbeider som i en åpen sløyfe. Motkoplingen er altså dynamisk eller frekvensavhengig, og dette avspeiles i fotocellen 1, slik at den får forskjellig dynamisk forsterkning og statisk forsterkning, på følgende måte:

den dynamiske forsterkning (responsen av fotocellen 1 på en strømpuls iph som genereres i sensoren 3 som følge av lyspåtrykk av en laserpuls 2), over tilnærmet hele den basisstrøm som strømmen som genereres fra lyspulsen er overlagret, til responsen for fotocellen 1 skal være, dersom kretsens 5 åpensløyfeforsterkning er uavhengig av basisstrømmen:

hvor:

• t er laserpulsens varighet,

• A er åpensløyfeforsterkningen av kaskodeforsterkeren 5,

• C er fotosensorens 3 elektriske kapasitet, og

• Vs er utgangsspenningen fra fotocellen 1 (=responsamplituden).

Den statiske forsterkning påvirkes av utviklingen av den strøm som passerer sensoren 3, nemlig en strøm som går fra i0 til i1} slik at likespenningen på utgangen av fotocellen 1 tilsvarende går fra Vo til V^

hvor:

• n er antallet transistorer i oppkoplingssløyfen (to i eksempelet på fig. 1,3 og 4), og

• Vt er det termodynamiske potensial.

Dette tilsvarer responsen uten forsterkning av en logaritmisk detektor overfor en langsomt foranderlig strøm. Man utnytter den store dynamikk på inngangen, hvilket er av interesse for denne fotodetektor, slik at den blir tilnærmet uavhengig av forsterkerens forsterkning A.

I den foretrukne utførelse som er vist på fig. 1 er sensoren 3 en fotodiode av dypfordypningstype og med et område i form at en fordypning 12 med N=type halv-ledermateriale og utformet i et substrat 13 med P-materiale. Sensorens overflate danner en innfallsflate 14 for lys 2. En slik fotosensor 3 er særlig egnet for opptak av laserlys i det infrarøde området og i pulsform.

Man skal forøvrig merke seg at fotocellen 1 ifølge oppfinnelsen er i stand til å registrere laserpulser med varighet 20 ns og med intensitet mindre enn 0,1 uW, hvilket tilsvarer en energi i størrelsesorden femto-Joule (fJ). Videre er følsomheten tilnærmet uavhengig av nivået av bakgrunnsbelysningen, idet lyspulsene 2 er overlagret denne belysning i form av en forstyrrende støybelysning, og registreringen kan foregå over en dynamikk på 6 dekader.

Ifølge oppfinnelsen får man således en fotocelle 1 som er særlig effektiv for å isolere (og forsterke) den elektriske strøm som er relatert til en lyspuls 2 med kort varighet, i forhold til den elektriske generelle strøm som genereres av sensoren 3 og som likeledes omfatter lysbakgrunnen, slik at man kan behandle det signal som bare stammer fra lyspulsen 2.

Videre har fotocellen 1 flere tilleggsfordelere. Særlig er den kompakt, enkel å fremstille, lite følsom overfor teknologiske dispersjoner og har videre lav fremstillingskostnad, særlig når den fremstilles i form av en integrert krets i den vanlige CMOS-teknologi.

Fotocellen 1 kan være integrert i et detektorapparat 16 for pulslaserlys og i samsvar med en særlig foretrukket utførelse vist på fig. 4.

Dette detektorapparat 16 har, i tillegg til fotocellen 1 i rekkefølge fira venstre mot høyre på tegningen:

en filterkrets 17,

en komparator 18,

en lagercelle 19, og

en velgerkrets 20 for å velge linje.

Selv om følsomheten kan være uavhengig av nivået av lysbakgrunnen vil fotocellen 1 ikke filtrere ut den langsomme komponent fra denne lysbakgrunn. Filterkretsen 17 som omfatter et høypassfilter har som formål å realisere denne filtrering.

Filterkretsen 17 er et høypassfilter med tilbakekoplet inverteringsforsterker og har i tillegg en kondensator Cf, to transistorer 21 og 22 som utgjør forsterkeren og som er koplet som dioder. Den ekvivalente motstand er omvendt proporsjonal med summen av transistorenes transkonduktans, og de parasittkapasiteter som overføres av forsterkeren til utgangen av fotocellen vil hovedsakelig være kapasiteten mellom styreelektroden og kildeelektroden på transistorene 21 og 22. Den første av disse påtrykkes en polariseringsspenning Vf.

Man merker seg videre at den minste verdi av kapasiteten Cf er bestemt av dimensjoneringen av transistorene 21 og 22 i filterkretsen 17, mens den maksimale verdi vil være avhengig av overflaten av det silisium som er brukt for substrat. Kapasiteten kan realiseres ved å superponere lag av polysilisium 1 og 2 som et eksempel. En kapasitet på 180 fF vil oppta et overflateareal i størrelsesorden 100 um<2>.

Komparatoren 18 som utgjør neste trinn i detektoren 16 har som mål å redusere parasittdeteksjon ved å heve samrnenlikningsterskelen når lysenergien er betydelig. For dette er komparatoren 18 en krets utformet med et differensialpar i teknikk PMOS (transistorene 23 og 24), idet forkortelsen står for metalloksidhalvleder med en P-kanal og blir bladet av NMOS (transistorene 25 og 26), for sammenlikning av signal-utgangen fra filterkretsen 17 med en innstillbar spenningsterskel (Vseuil).

Transistoren 25 (som påtrykkes en polarisasjonsspenning Vpol) brukes som strømkilde, mens transistoren 26 er en spenningsstyrt motstand, idet styrespenningen er angitt som Vgain.

Når det gjelder lagercellen 19 er den utført som en vanlig holdekrets med transistorer 27-34 og tilkoplet en styreholdespenning Vlatch. Latercellen 19 har som mål å lagre passasjen gjennom komparatoren 18 ved et lavt nivå som tilsvarer deteksjonen av en lyspuls.

Videre er det siste ledd i detektoren 16 en krets 20 for å velge linje, og denne krets har to transistorer 35 og 36 og påtrykkes en styrespenning Vsel. Kretsen gir således et utgangssignal Vs2 fra detektoren 16 for et påtrykk av en lyspuls 2.

Detektoren 16 har således fem polariseringsspenninger (Vrefl, Vref2, Vf, Vgain, Vpol) og tre styrespenninger (Vseuil, Vlatch, Vsel).

En slik detektor 16 kan utgjøre en del av et apparat 38 med flere detektorer. Således kan apparatet, slik det er vist på fig. 5 ha detektorene 16 anordnet som en matrise med linjer L1-L6 (eller rekker for å holde oss til matriseterminologien, og med utgangsforbindelser L1-L6) og kolonner C1-C5 (eller spalter og med utgangstil-koplingerEl-E5).

Claims (8)

1. Fotocelle i form av en integrert krets i CMOS-teknologi og med en fotosensor (3) for omvandling av mottatt lysenergi til elektrisk strøm, og en behandlingskrets (4) for viderebehandling av den elektriske strøm som mottas fra fotosensoren (3), karakterisert ved at behandlingskretsen (4) omfatter en invers kaskodeforsterker (5) som er tilbakekoplet med en motkopling (6) av langsom slave- eller følgetype og med en seriekopling av identiske NMOS-transistorer (10, 11) som tilføres strøm fra samme fotosensor (3).

2. Fotocelle ifølge krav 1, karakterisert ved at motkoplingen omfatter to transistorer av typen NMOS (10, 11).

3. Fotocelle ifølge ett av kravene 1-2, karakterisert ved at sensoren (3) er en fotodiode av typen fordypning i substrat.

4. Detektor (16) for laserpulser, karakterisert ved en fotocelle (1) ifølge ett av kravene 1-3.

5. Detektor ifølge krav 4, karakterisert ved i tillegg å ha et høypassfilter (17) med motkoplet inverterende forsterker.

6. Detektor ifølge ett av kravene 4-5, karakterisert ved i tillegg å omfatte en komparator (18) med et PMOS differensialpar tilført via NMOS-transistorer, for å sammenlikne responsen fra fotocellen (1) med en innstillbar terskel.

7. Detektor ifølge ett av kravene 4-6, karakterisert ved i tillegg å omfatte en lagercelle (19).

8. Apparat for deteksjon av laserlyspulser, karakterisert ved flere detektorer 16 for slikt lys og nærmere angitt i ett av kravene 4-7, idet detektorene omfatter fotoceller 1 utformet på en integrert krets og anordnet langs rekker (L1-L6) og spalter (C1-C5) i matriseform.