專利名稱：一種覆蓋可見光寬波段的微光探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種用于光電探測器的覆蓋可見光寬波段的微光探測方法。
背景技術(shù)：
微光探測器可以工作在極微弱的光照條件下，在軍事偵察，空間探測、機(jī)器視覺、 環(huán)境監(jiān)測、保安監(jiān)控、醫(yī)療診斷、生物科學(xué)眾多領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛很多的應(yīng)用領(lǐng)域需要對微光功率IOnW及以下的光功率進(jìn)行探測。CMOS圖像探測器中的噪聲水平已經(jīng)不斷降低，對微光信號的靈敏度也不斷提高，但CMOS圖像傳感器必須采用像素增強(qiáng)器倍增光生載流子數(shù)目或圖像增強(qiáng)器后才能進(jìn)行微光探測，而且積分時間與曝光時間都比較漫長，然而該微光探測在微光信號情況下準(zhǔn)確性比較低，影響了對光探測器進(jìn)一步研究和探索，大大制約了光探測器在微光低輻照度領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種覆蓋可見光寬波段的微光探測方法，它將量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接后置于設(shè)有微光測試系統(tǒng)的箱內(nèi)，可探測到比0. 2nW以下光功率更低的微光，而且積分與曝光時間更短，操作方便，微光探測準(zhǔn)確性高，滿足了不同器件和信號大小可擴(kuò)展的需要，有利于推動光電探測器在微光低輻照度探測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對進(jìn)一步研究、開發(fā)微光探測有著及其重要意義。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種覆蓋可見光寬波段的微光探測方法，其特點是該方法將量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接后置于設(shè)有微光測試系統(tǒng)的箱內(nèi)，然后對微光進(jìn)行探測時可直接讀出覆蓋可見光的寬波段，其具體探測包括以下步驟
(一)、光電探測器與讀出電路的對接
將量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接在一個基板上并焊接在杜瓦瓶里， 以減少外部電磁干擾； (二 )、微光測試系統(tǒng)
微光測試系統(tǒng)由微光輻射光源、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、顯微物鏡、杜瓦瓶、白光燈、LCD顯示器、工業(yè)電視監(jiān)控器、微動臺、測試電路和數(shù)字示波器構(gòu)成的共軸光學(xué)測試平臺，其中杜瓦瓶里焊接有對接后的光電探測器和讀出電路； (三)、微光讀出探測
將上述微光測試系統(tǒng)置于0 nW背景信號的黑布覆蓋的箱內(nèi)，杜瓦瓶設(shè)置在120K溫度下工作，并為光電探測器提供電壓偏置和讀出電路提供驅(qū)動信號，讀出電路的兩輸出端分別接入數(shù)字雙蹤示波器，然后調(diào)節(jié)微動臺使激光光斑照射在光電探測器的光敏元上，通過滑動設(shè)置在顯微物鏡前的遮光金屬片分別測試讀出電路無光照和有光照的輸出電壓，其兩電壓差為該光敏元上的微光響應(yīng)電壓，接著，再調(diào)節(jié)微動臺使激光光斑照射在光電探測器的下一個光敏元上，重復(fù)上述步驟，直至完成所有陣列的量子點-量子阱探測器的微光讀出探測。所述微光輻射光源由激光器、第一衰減盤、第二衰減盤、濾光片、反射鏡和光功率計組成連續(xù)可調(diào)的KT1n^ri. 6 μ W輻射度的點光源。所述測試電路為光電探測器和讀出電路提供電壓偏置和驅(qū)動信號，使探測器與讀出電路在正常范圍內(nèi)工作，并測量出光電響應(yīng)電壓。所述電壓偏置為光電探測器的工作偏壓，以量子點-量子阱光電探測器的響應(yīng)率、光電特性和信噪比確定。所述驅(qū)動信號為驅(qū)動讀出電路對探測器陣列進(jìn)行行列掃描、積分、讀出和復(fù)位的時序信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有靈敏度高，信噪比大，探測波段范圍寬，覆蓋到近紫夕卜、可見光和近紅外波段，彌補(bǔ)了 CCD器件的不足，可對光功率<0. 2nff的微光進(jìn)行探測，在 0. 2nff激光光功率的光照下，讀出電路在80 μ s積分時間內(nèi)響應(yīng)電壓達(dá)到20mV，積分與曝光時間比現(xiàn)有技術(shù)至少降低1個數(shù)量級，滿足了不同器件和信號大小可擴(kuò)展的需要，有利于推動光電探測器在微光低輻照度探測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明微光測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明連續(xù)可調(diào)微光輻射光源結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明微光測試系統(tǒng)驅(qū)動信號時序圖； 圖4為量子點-量子阱光電探測器像元無光照波形圖； 圖5為量子點-量子阱光電探測器像元微光光照波形圖。
具體實施例方式下面以量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接然后，對其進(jìn)行微光探測的具體實施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述
實施例1
本發(fā)明對微光進(jìn)行探測時可直接讀出覆蓋可見光的寬波段，其具體探測包括以下步
驟
(一)、光電探測器與讀出電路的對接
將異質(zhì)結(jié)量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接在一個基板上并焊接在杜瓦瓶里，以減少外部電磁干擾，光電探測器和讀出電路對接后，其信噪比很大，在0. 2nff激光功率的光照下進(jìn)行探測，80 μ s積分時間內(nèi)讀出電路響應(yīng)電壓達(dá)到20mV，無需使用圖像增強(qiáng)器或光電倍增管。在探測器工藝條件不變的情況下，通過對探測器像素結(jié)構(gòu)和尺寸的合理選取和讀出電路積分時間參數(shù)的設(shè)置，完全可以探測到比0. 2nff以下光功率更低的微光。(二 )、微光測試系統(tǒng)
參閱附圖1，微光測試系統(tǒng)由微光輻射光源2、第一分光棱鏡3、第二分光棱鏡4、顯微物鏡5、杜瓦瓶6、白光燈7、IXD顯示器8、工業(yè)電視監(jiān)控器9、微動臺10、測試電路11和數(shù)字雙蹤示波器12構(gòu)成的共軸光學(xué)測試平臺。設(shè)有工業(yè)電視監(jiān)控器9的共軸光學(xué)平臺，可以在IXD顯示器8上顯示出激光光斑輻照在光電探測器的位置，并通過調(diào)節(jié)微動臺10確保激光光斑輻照在光電探測器的像元上，其中杜瓦瓶8里焊接有對接后的光電探測器和讀出電路。測試電路11為光電探測器和讀出電路提供合適的電壓偏置和驅(qū)動信號，使探測器與讀出電路在正常范圍內(nèi)工作，并測量出光電響應(yīng)電壓，電壓偏置為光電探測器的工作偏壓，工作偏壓是以量子點-量子阱光電探測器的響應(yīng)率、光電特性和信噪比確定，驅(qū)動信號為驅(qū)動讀出電路對探測器陣列進(jìn)行行列掃描、積分、讀出和復(fù)位的時序信號。本微光測試系統(tǒng)置于黑箱1內(nèi)，外面用黑布遮蓋，其目的是為了降低外界背景光的影響，實驗結(jié)果表明，共軸光學(xué)平臺可實現(xiàn)KT1n^TLeyW激光功率的連續(xù)可調(diào)，滿足光電探測器的微光低輻射度的測試條件，為了減少測試噪聲，系統(tǒng)的各個部分共地。參閱附圖2，微光輻射光源2由激光器21、第一衰減盤22、第二衰減盤23、濾光片 24、反射鏡25和光功率計沈組成連續(xù)可調(diào)的KT1rTl. 6 μ W輻射度的點光源，通過光功率校準(zhǔn)為微光測試提供準(zhǔn)確的光源，其中激光器21選用波長為633nm He-Ne激光，其輻射出的光功率為1. 6 μ W，遠(yuǎn)大于微光輻射光電測試的要求；第一衰減盤22和第二衰減盤23選用360度連續(xù)衰減；濾光片M選用10%的濾光度，本系統(tǒng)可以同時放置三個分別10%，1%和 0. 1%的濾光片，理論最小輻射光功率可以小到10_15w。(三)、微光讀出探測
將上述微光測試系統(tǒng)置于0 nW背景信號的黑布覆蓋的黑箱1內(nèi)，杜瓦瓶6設(shè)置在120K 溫度下工作，測試電路11為光電探測器提供電壓偏置和讀出電路提供驅(qū)動信號，使探測器與讀出電路在正常范圍內(nèi)工作。讀出電路的兩輸出端分別接入數(shù)字雙蹤示波器12，然后調(diào)節(jié)微動臺10使激光光斑照射在光電探測器的光敏元上，通過滑動設(shè)置在顯微物鏡5前的遮光金屬片51分別測試讀出電路在無光照和有光照時的輸出電壓，其兩電壓差為該光敏元上的微光響應(yīng)電壓，接著，再調(diào)節(jié)微動臺10使激光光斑照射在光電探測器的下一個光敏元上，重復(fù)上述步驟，直至完成所有陣列的量子點-量子阱探測器的微光讀出探測。在探測器工藝條件不變的情況下，通過對探測器像素結(jié)構(gòu)和尺寸的合理選取和讀出電路積分時間等參數(shù)的設(shè)置，完全可以探測到比0. 2nff以下光功率更低的微光。本共軸光學(xué)測試平臺可以方便地監(jiān)控和調(diào)節(jié)微動臺10使激光光斑照射在光電探測器的光敏元上，具體測試和調(diào)節(jié)如下
當(dāng)激光和微光功率校準(zhǔn)后，扳開反射鏡25移開光路，打開白光燈7激光光斑和白光通過第一分光棱鏡3、第二分光棱鏡2和顯微物鏡5后照在杜瓦瓶6內(nèi)的光電探測器上， 通過與工業(yè)電視監(jiān)控器9相連的IXD顯示器8可以清晰看見激光光斑和光電探測器，調(diào)節(jié)微動臺10使激光光斑準(zhǔn)確輻照在光電探測器像元上以后，關(guān)閉白光燈7，扳開第一分光棱鏡3和第二分光棱鏡4，這樣激光光斑通過顯微物鏡5直接輻照在光電探測器像元上，讀出電路通過測試電路11提供工作電壓和工作時序，讀出電路的輸出OUTl和0UT2分別接入 AgelintDS06052A數(shù)字雙蹤示波器12，通過滑動顯微物鏡5前面的遮光金屬片51分別測無光照和有光照情況下的輸出電壓OUTl和0UT2，實際的讀出電路響應(yīng)電壓為兩個輸出電壓差，即讀出電路響應(yīng)電壓=0UT2-0UT1。第一個像元的微光探測完后，接著，再調(diào)節(jié)微動臺10使激光光斑準(zhǔn)確輻照到下一個像元上，重復(fù)上述步驟，直至完成所有2 X 8陣列的量子點-量子阱探測器的微光讀出測試。測試電路11為光電探測器和讀出電路提供合適的電壓偏置和驅(qū)動信號，使探測器與讀出電路在正常范圍內(nèi)工作，驅(qū)動信號給讀出電路提供合適的時序，使讀出電路在時鐘信號、行選信號和列選信號作用下依次輸出16個像元對應(yīng)的輸出電壓，各驅(qū)動信號如下表1
表1微光測試系統(tǒng)驅(qū)動信號說明
權(quán)利要求
1.一種覆蓋可見光的寬波段微光探測方法，其特征在于該方法將量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接后置于設(shè)有微光測試系統(tǒng)的箱內(nèi)，然后對微光進(jìn)行探測時可直接讀出覆蓋可見光的寬波段，其具體探測包括以下步驟(一)、光電探測器與讀出電路的對接將量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接在一個基板上并焊接在杜瓦瓶里， 以減少外部電磁干擾；(二 )、微光測試系統(tǒng)微光測試系統(tǒng)由微光輻射光源、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、顯微物鏡、杜瓦瓶、白光燈、LCD顯示器、工業(yè)電視監(jiān)控器、微動臺、測試電路和數(shù)字示波器構(gòu)成的共軸光學(xué)測試平臺，其中杜瓦瓶里焊接有對接后的光電探測器和讀出電路；(三)、微光讀出探測將上述微光測試系統(tǒng)置于0 nW背景信號的黑布覆蓋的箱內(nèi)，杜瓦瓶設(shè)置在120K溫度下工作，并為光電探測器提供電壓偏置和讀出電路提供驅(qū)動信號，讀出電路的兩輸出端分別接入數(shù)字雙蹤示波器，然后調(diào)節(jié)微動臺使激光光斑照射在光電探測器的光敏元上，通過滑動設(shè)置在顯微物鏡前的遮光金屬片分別測試讀出電路無光照和有光照的輸出電壓，其兩電壓差為該光敏元上的微光響應(yīng)電壓，接著，再調(diào)節(jié)微動臺使激光光斑照射在光電探測器的下一個光敏元上，重復(fù)上述步驟，直至完成所有陣列的量子點-量子阱探測器的微光讀出探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述覆蓋可見光的寬波段微光探測方法，其特征在于所述微光輻射光源由激光器、第一衰減盤、第二衰減盤、濾光片、反射鏡和光功率計組成連續(xù)可調(diào)的 IO-1ITl. 6 μ W輻射度的點光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述覆蓋可見光的寬波段微光探測方法，其特征在于所述測試電路為光電探測器和讀出電路提供電壓偏置和驅(qū)動信號，使探測器與讀出電路在正常范圍內(nèi)工作，并測量出光電響應(yīng)電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述覆蓋可見光的寬波段微光探測方法，其特征在于所述電壓偏置為光電探測器的工作偏壓，以量子點-量子阱光電探測器的響應(yīng)率、光電特性和信噪比確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述覆蓋可見光的寬波段微光探測方法，其特征在于所述驅(qū)動信號為驅(qū)動讀出電路對探測器陣列進(jìn)行行列掃描、積分、讀出和復(fù)位的時序信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種覆蓋可見光寬波段的微光探測方法，其特點是該方法將量子點-量子阱光電探測器與CMOS讀出電路對接后置于設(shè)有微光測試系統(tǒng)的箱內(nèi)，然后對微光進(jìn)行探測時可直接讀出覆蓋可見光的寬波段。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有靈敏度高，信噪比大，探測波段范圍寬，可對光功率<0.2nW的微光進(jìn)行探測，在0.2nW激光光功率的光照下，讀出電路在80μs積分時間內(nèi)響應(yīng)電壓達(dá)到20mV，積分與曝光時間比現(xiàn)有技術(shù)至少降低1個數(shù)量級，滿足了不同器件和信號大小可擴(kuò)展的需要，有利于推動光電探測器在微光低輻照度探測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
文檔編號G01J1/00GK102494764SQ20111035631
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者張淑驊, 王明甲, 茅惠兵, 越方禹, 鄭厚植, 郭方敏 申請人:華東師范大學(xué)