一种六边形光敏元密布的焦平面探测器

1.本发明涉及一种六边形光敏元密布的焦平面探测器，与目前焦平面探测器矩形光敏元不同，本方法采用六边形密铺排列的光敏元设计方案，可实现更高的光敏元占空比及对称性，同时可避免长距离直线形的光敏元间隙，从而在目标探测中达到更高的探测效率和探测精度。


背景技术：

2.面阵焦平面探测器逐渐取代多元探测器及线列焦平面探测器被广泛应用于红外成像及目标探测，目前的焦平面探测器光敏元为矩形，通常为正方形，光敏元按行列对齐进行排列形成探测器阵列，为保证相邻光敏元pn结相互隔离，根据pn结生成过程中的横向扩散效应，通常光敏元的工艺开孔尺寸会小于光敏元间距，最终在光敏元pn结之间形成间隙，在应用于目标探测时，当探测目标成像落在间隙当中时，目标响应降低，会导致目标的漏检。随着光敏元的逐步减小，而光敏元间距由于工艺限制并不会等比例缩小，这导致光敏元的占空比进一步减小，目标漏检的可能性增大。目前焦平面器件所采用的光敏元矩形点阵排布方式光敏元间隙是较长的直线，当目标运动轨迹与其重合或接近时会产生长时间的响应降低，从而增加了漏检的可能。
3.根据几何原理，任意三角形、凸四边形以及三对对应边平行的六边形可以单独密铺，考虑到焦平面光敏元需要具有平移对称性，其形状及方向应具有一致性，且结合铟柱生长等工艺的可行性，正方形和正六边形是最优的选择。通常焦平面光敏元是以矩形特别是正方形作为密铺单元，这便于读出电路设计及后续图像重构及处理。但在目标探测应用中会存在如上所述的漏检等问题。在具有平行对应边的六边形中，正六边形具有最高的对称性，与正方形光敏元密铺方式相比，相同面积的正六边形边长为正方形的93％，因而采用正六边形密布的光敏元方式可以提高光敏元的占空比，降低漏检概率，此外由于正六边形密布不存在长距离的直线形光敏元间隙，因而可以避免由此引起的漏检问题。正六边形密布的点阵具有更高的对称性，边长也比相同面积的正方形短，因而结合系统应用及后续处理算法，可以达到跟高的轨迹探测精度。
4.光敏元的形状为正六边形，设定正六边形的边长为单位1，则正六边形宽、长分别为和2，由于正六边形光敏元间距比值含有无理数，考虑设计及实现方面的困难，实际可以采用接近正六边形的行列间距比值为有理数的有平行对应边的六边形作为光敏元形状。设此时六边形宽、长分别为a，b；对于奇数行，第m行第n列光敏元中心点坐标为(ma,-nλb)，对于偶数行，第m行第n列光敏元中心点坐标为其中λ由六边形的形状决定，并以a与λb比值为接近的有理数为宜，将光敏元信号按行列顺序读出后，以此坐标重建图像。


技术实现要素：

5.针对目前焦平面探测器光敏元采用的正方形密布排列方式(见附图1及附图3)在目标探测中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新的基于六边形密布的光敏元形状及排列方式，在此方案下，光敏元相较目前的光敏元形状及排列方式具有更高的占空比，同时避免了长距离的直线形光敏元间隙，从而避免了由此引起的漏检问题。
6.本发明的原理如附图2及附图4所示，利用半导体工艺生成正六边形光敏元pn结，pn结之间的间隙宽度由pn结生成工艺决定，通过光刻版图设计，使得光敏元中心位置按照正六边形密布中心点所形成的格点矩阵排列，如在相同器件面积内部署相同数量的光敏元，当光敏元数量足够大时，忽略边缘效应的影响，按图1所示的正方形密布和按图2所示的正六边形密布，每个单元的面积是相等的，如图5所示，对于面积相等的正方形和正六边形，正六边形的周长更小，约为正六边形的93％，因而采用正六边形光敏元具有更高的占空比。当探测目标像落在光敏元内时，以光敏元中心作为目标像的期望位置，则正方形光敏元的平均定位偏差是正六边形光敏元平均定位偏差的98％，二者基本相同，但正方形光敏元的最大定位偏差是正六边形光敏元最大定位偏差的114％，因而采用正六边形光敏元可获得更高的定位精度。此外如图4所示，采用正六边形光敏元密布方案的焦平面探测器，其光敏元间隙均为折线，不存在较长直线情况，一般探测目标运动轨迹不会与之相重合，因而也就不会存在由此引起的漏检情况。与正方形点阵相比，正六边形点阵具有更高的对称性，边长更短，结合后续算法可以提高目标轨迹的探测精度。
7.根据以上所述，相比目前正方形光敏元密布方案的焦平面探测器，采用正六边形光敏元密布方案的焦平面探测器更适用于目标探测应用，可获得更高的探测效率和探测精度。考虑设计及实现方面的困难，实际可以采用接近正六边形的行列间距比值为有理数的有平行对应边的六边形作为光敏元形状。
附图说明
8.图1为正方形密布的原理图。
9.图2为对边平行六边形密布的原理图。
10.图3为正方形光敏元按正方形点阵排列图。
11.图4为对边平行六边形光敏元按对边平行六边形密布中心点阵排列图。
12.图5为相同面积正方形与正六边形对比图。
13.图6焦平面探测器结构图。
具体实施方式
14.下面结合附图进行详细说明，以使能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，而不是限定本发明的保护范围。
15.见图6，探测器芯片为光电材料外延层上通过半导体工艺实现的pn结光伏探测器阵列，每个光敏元是一个独立的光伏探测器，读出电路通过cmos工艺制成，探测器芯片与读出电路通过铟柱倒焊方式进行互联，每个单元电路实现光敏元的信号在积分电容上的积分，然后通过选择电路实现串行读出。
16.本发明中首先利用半导体工艺在光电材料上制作如图4所示的光敏元阵列，同时
设计制作单元电路与每个光敏元位置相对应的读出电路，然后通过铟柱互联工艺将光敏元与读出电路的单元电路相连接，通过读出电路实现光敏元光生信号的积分以及序列化读出，读出信号采集至计算机后，根据光敏元的响应信号及其在焦平面探测器中所对应的位置坐标，通过算法实现图像的重构及后续处理。


技术特征：
1.一种六边形光敏元密布的焦平面探测器，其特征在于：所述的光敏元的形状为对边相互平行的六边形，六边形宽、长分别为a，b；则第m行第n列光敏元中心点坐标为(ma,nλb)，其中λ由六边形的形状决定，将光敏元信号按行列顺序读出后，以此坐标重建图像。

技术总结
本发明公开了一种六边形光敏元密布的焦平面探测器，光敏元的形状为对边相互平行的六边形，六边形宽、长分别为a，b；则第m行第n列光敏元中心点坐标为(ma,nλb)，其中λ由六边形的形状决定，将光敏元信号按行列顺序读出后，以此坐标重建图像。焦平面探测器采用对边平行六边形光敏元密布排列的方式可以减小目标响应盲区，避免产生连续响应盲区，结合后续处理算法可以提高目标轨迹精度，从而提高目标探测能力。能力。能力。


技术研发人员：范广宇
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/5/25