[发明专利]一种工作于线性模式APD阵列的主、被动成像读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及光电成像技术，尤其是一种工作于线性模式APD阵列的主、被动成像读出电路，属于微电子及光电子技术领域。

背景技术

红外焦平面阵列因探测器放置在光学系统的焦平面上而得名，是红外技术发展最活跃的领域。红外焦平面阵列由红外探测器和读出电路（Readout Circuit, ROIC）两部分组成，通过铟柱相连，如图1所示。常见的红外焦平面阵列的工作原理是：焦平面上的红外探测器在接收到入射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷，通过扫描焦平面阵列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器件中来读出这些电荷。读出电路是红外焦平面阵列的关键部件之一，它的主要功能是对探测器感应的微弱信号进行预处理（如积分、放大、滤波、采样/保持等）和阵列信号的并/串行转换。

近几十年，由于电荷耦合器件(CCD)，CMOS图像传感器及红外成像器件的发展，光电成像技术在包括人们日常生活在内的诸多领域得到了广泛应用。但在要求检测极其微弱光信号的应用中，这些器件显得无能为力或者需要极低温度或低噪声电路才能满足要求。雪崩光电二极管(APD)是一种新型高灵敏光电探测与传感器件。它借助内部强电场作用产生雪崩倍增效应，因此具有很高的内部增益，并且响应速度非常快。当其工作电压高于雪崩电压时，甚至能获得单光子探测的灵敏度。由于这些特点，APD探测器已广泛应用于微弱信号检测、光纤通信、光电测距、星球定向和军事测控等领域。

不同于其他的成像器件，由APD探测器组成的APD阵列由于具有高的灵敏度和分辨能力，通过信号处理电路，不仅能对极微弱光进行被动成像，而且能对远距离目标进行主动探测成像。而且，APD阵列不光能对目标成强度像，还能通过采用不同的方法生成距离像。这使得其具有极微弱光成像、分谱成像、主被动复合成像的能力，加之量子效率高、体积小、抗干扰能力强等特点。APD阵列已经在原光电成像器件所满足不了的应用领域中发挥了其自身的优势，随着APD器件自身性能的发展，也极有可能使其成为传统光电成像器件的最佳替代品。

国外从2006年以来，george M. williams和Asbrock, J.等人分别发表了一些在线性模式下工作的单光子APD探测器和接收器的文章，文中指出，相对于盖革模式，在线性模式下的探测器不光能计算到达的时间，也能判断其强度，另外还具有纳秒级的恢复时间，低的错误报警率等优点。所以工作在线性模式下的APD阵列也是今后发展的重要方向。在国内，对于APD器件有了一些的研究，但大部分成果还只是单个的或线阵的雪崩光电二极管的制造，对APD探测器阵列的研究很少。另外，对APD器件后续的读出电路的研究比较少，还处在预研和起步阶段，或者只用分立元件搭建的单个APD探测器读出电路电路，对APD阵列的读出电路的研制非常少。所以启动与待研究的大规模的APD阵列相对应的读出电路的研制，能加速对我国相关领域的发展。

目前国内外的研究中，APD阵列信号处理电路要么是主动成像，要么是被动成像，在实际应用中往往需要两种成像系统协同工作，这就需要两套成像系统。但这样的系统不光体积大，还增加了光学系统的复杂度，而且不利于后续的信号处理等工作。所以设计出在同一系统中兼容主、被动两种成像方式的读出电路，能大大降低系统的复杂和尺寸，具有很强的实用价值。所以，进行主、被动切换模式的信号处理电路的研究很大的意义和价值。设计模式切换功能，使得同一个APD阵列能够按需要提供被动和主动探测能力，既可以对极微光物体进行强度像探测，又可以加入主动光源对反射能力弱的物体进行探测。而且可以针对不同的技术指标，确定信号处理电路的组成模块，提供超高速门控电路等重要模块的结构设计方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决APD阵列读出电路在同一系统中不能兼容主、被动两种成像方式的问题，提供一种能进行主动和被动成像切换，适用于线性模式下工作的320×256大规模APD阵列探测器的一种APD阵列的主、被动成像读出电路，使得同一个APD阵列能够按需要提供被动和主动探测能力，并针对主动模式读出电路，设计出能精确控制积分时间的控制电路，具有高压保护及精确积分开关控制的功能。