本發(fā)明屬于激光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于采集處理激光信號(hào)的探測(cè)裝置、像素單元和像素單元陣列。

背景技術(shù)：

隨著激光技術(shù)、嵌入式技術(shù)和集成光學(xué)的發(fā)展，激光測(cè)距正朝著數(shù)字化、自動(dòng)化、低成本、小型化的方向發(fā)展。激光測(cè)距雷達(dá)具有精度高，系統(tǒng)體積小，測(cè)量迅速的優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

激光雷達(dá)測(cè)距過程中如何獲得精準(zhǔn)的目標(biāo)位置，這對(duì)于提高圖像分辨率有著十分重要的作用，尤其是對(duì)于不斷運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)車輛，因車輛內(nèi)部存在電磁干擾，容易造成測(cè)量不夠精準(zhǔn)的問題。

另外，傳統(tǒng)的車載激光雷達(dá)探測(cè)器多數(shù)采用單點(diǎn)測(cè)試方式，其需要配置機(jī)械掃描裝置，掃描速度緩慢，圖像空間分辨率低。為了提高掃描速度需要選用焦平面陣列探測(cè)器，但是由于現(xiàn)有焦平面陣列探測(cè)器芯片封裝工藝絕大多數(shù)是將探測(cè)器陣列與讀出電路陣列分離為兩層，將探測(cè)器陣列置于芯片底層，其上一層為讀出電路的a/d轉(zhuǎn)換器及放大電路，二極管在接收光信號(hào)時(shí)先要透過二極管上層的讀出電路的線路層，由于光投射到線路層時(shí)容易發(fā)生光反射造成光損失，減少了二極管的受光量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上背景，為解決現(xiàn)有激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量不夠精準(zhǔn)、掃描速度緩慢、圖像空間分辨率低問題，本發(fā)明提供了一種用于采集處理激光信號(hào)的探測(cè)裝置、像素單元及陣列。

本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是：

用于采集激光信號(hào)的像素單元，其特殊之處在于：包括光電二極管和與光電二極管負(fù)極端相連并集成于一體的采樣電路；

所述采樣電路包括nmos管nm7、開關(guān)s1、s2、s3、s4、s5、s6、電容c1、c2；開關(guān)s1～s4均由一個(gè)nmos管和一個(gè)pmos管對(duì)接構(gòu)成，開關(guān)s5～s6均由一個(gè)pmos管構(gòu)成；開關(guān)s1～s4的nmos管分別記為nm1、nm2、nm3和nm4，開關(guān)s1～s4的pmos管分別記為pm1、pm2、pm3和pm4，開關(guān)s5～s6的pmos管分別記為pm5和pm6；

nm7的柵極接箝位電壓vb，nm7的源極接光電二極管的負(fù)極端，nm7的漏極同時(shí)與nm1、nm2的漏極以及pm1、pm2的漏極相連；nm1和pm1的源極同時(shí)接電容c1的一端，nm2和pm2的源極同時(shí)接電容c2的一端；電容c1和電容c2的另一端分別接地；

nm1和pm1的源極還同時(shí)接pm5、pm3和nm3的漏極；pm5的源極接復(fù)位電源vdd；pm5的柵極接復(fù)位電壓vrst；pm3和nm3的源極相接作為采樣電路的其中一個(gè)輸出端vout1；

nm2和pm2的源極還同時(shí)接pm6、pm4和nm4的漏極；pm6的源極接復(fù)位電源vdd；pm6的柵極接復(fù)位電壓vrst；pm4和nm4的源極相接作為采樣電路的另一個(gè)輸出端vout2。

本發(fā)明還提供了一種用于采集激光信號(hào)的像素單元陣列，其特殊之處在于：包括多個(gè)權(quán)利要求1所述的像素單元；所有像素單元相互獨(dú)立設(shè)置并且對(duì)應(yīng)不同的空間視場(chǎng)角。

進(jìn)一步地，所有像素單元集成在襯底上；所述襯底的底部設(shè)置有由多個(gè)菲涅爾透鏡構(gòu)成的微透鏡陣列；每個(gè)菲涅爾透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元，用于透射回波信號(hào)光并使回波信號(hào)光匯聚到對(duì)應(yīng)像素單元的光電二極管上。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種用于采集和處理激光信號(hào)的探測(cè)裝置，包括探測(cè)器陣列、信號(hào)采集處理單元、襯底、互連金屬、金屬布線層、時(shí)序控制電路和用于生成行選信號(hào)的行選模塊；其特殊之處在于：

所述探測(cè)器陣列由多個(gè)獨(dú)立的、對(duì)應(yīng)不同的空間視場(chǎng)角的設(shè)置在所述襯底上的光電二極管構(gòu)成；

所述信號(hào)采集處理單元包括采樣電路和由列差分放大電路、a/d轉(zhuǎn)換電路及數(shù)據(jù)輸出模塊構(gòu)成的處理電路；數(shù)據(jù)輸出模塊包括用于生成列選信號(hào)的列選模塊；

采樣電路與所述光電二極管一一對(duì)應(yīng)，每一個(gè)采樣電路與相應(yīng)的光電二極管的負(fù)極端相連并集成于一體構(gòu)成一個(gè)像素單元；所有像素單元組成一個(gè)像素單元陣列；

像素單元陣列和處理電路集成在所述襯底上，像素單元陣列通過互連金屬與金屬布線層相連，金屬布線層通過數(shù)據(jù)列線與處理電路相連；

列差分放大電路的數(shù)量等于像素單元陣列的列數(shù)，一個(gè)列差分放大電路對(duì)應(yīng)一列像素單元；每一列像素單元的所有采樣電路的輸出端均與該列像素單元所對(duì)應(yīng)的列差分放大電路的輸入端相連；所有列差分放大電路的輸出端均與所述a/d轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連；

a/d轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述數(shù)據(jù)輸出模塊的輸入端相連；a/d轉(zhuǎn)換電路用于將列差分放大電路輸出的電壓差值信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；時(shí)序控制電路用于控制所述行選模塊和所述列選模塊工作；數(shù)據(jù)輸出模塊用于輸出通過所述行選模塊和列選模塊所確定的光電二極管所對(duì)應(yīng)的用于計(jì)算相位的數(shù)字信號(hào)；

所述采樣電路包括nmos管nm7、開關(guān)s1、s2、s3、s4、s5、s6、電容c1、c2；開關(guān)s1～s4均由一個(gè)nmos管和一個(gè)pmos管對(duì)接構(gòu)成，開關(guān)s5～s6均由一個(gè)pmos管構(gòu)成；開關(guān)s1～s4的nmos管分別記為nm1、nm2、nm3和nm4，開關(guān)s1～s4的pmos管分別記為pm1、pm2、pm3和pm4，開關(guān)s5～s6的pmos管分別記為pm5和pm6；

nm7的柵極接箝位電壓vb，nm7的源極接光電二極管的負(fù)極端，nm7的漏極同時(shí)與nm1、nm2的漏極以及pm1、pm2的漏極相連；nm1和pm1的源極同時(shí)接電容c1的一端，nm2和pm2的源極同時(shí)接電容c2的一端；電容c1和電容c2的另一端分別接地；

nm1和pm1的源極還同時(shí)接pm5、pm3和nm3的漏極；pm5的源極接復(fù)位電源vdd；pm5的柵極接復(fù)位電壓vrst；pm3和nm3的源極相接作為采樣電路的其中一個(gè)輸出端vout1；nm2和pm2的源極還同時(shí)接pm6、pm4和nm4的漏極；pm6的源極接復(fù)位電源vdd；pm6的柵極接復(fù)位電壓vrst；pm4和nm4的源極相接作為采樣電路的另一個(gè)輸出端vout2；

輸出端vout1和vout2分別連接列差分放大電路的兩個(gè)輸入端。

進(jìn)一步地，上述a/d轉(zhuǎn)換電路包括斜波產(chǎn)生電路和多個(gè)比較器，比較器的數(shù)量等于像素單元陣列的列數(shù)，一個(gè)比較器對(duì)應(yīng)一列像素單元；斜波產(chǎn)生電路的波形信號(hào)輸出端與每個(gè)比較器的其中一個(gè)輸入端均相連，每一列像素單元的所有采樣電路所輸出的電壓信號(hào)均通過相應(yīng)的列差分放大電路送入該列像素單元所對(duì)應(yīng)的比較器的另一個(gè)輸入端，所有比較器的輸出端均接數(shù)據(jù)輸出模塊的輸入端；

斜波產(chǎn)生電路包括負(fù)載電阻r、積分電容c和運(yùn)算放大器；負(fù)載電阻r的一端接電壓vin1，負(fù)載電阻r的另一端同時(shí)接運(yùn)算放大器的反向輸入端和積分電容c的一端，積分電容c的另一端接運(yùn)算放大器的輸出端vramp，積分電容c的兩端還并聯(lián)有復(fù)位開關(guān)rst，運(yùn)算放大器的同向輸入端接電壓vin2；電壓vin1、vin2用于控制斜波產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的斜波信號(hào)，其中電壓vin1、vin2由探測(cè)裝置內(nèi)的分壓電路產(chǎn)生；

數(shù)據(jù)輸出模塊還包括nbit計(jì)數(shù)器、輸出緩沖模塊和多個(gè)存儲(chǔ)器；多個(gè)存儲(chǔ)器的輸入端分別與所述多個(gè)比較器的輸出端一一對(duì)應(yīng)相連，nbit計(jì)數(shù)器和所述列選模塊分別發(fā)送控制信號(hào)給所述多個(gè)存儲(chǔ)器的控制端，所述多個(gè)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出端均通過數(shù)據(jù)總線與輸出緩沖模塊的輸入端相連，由輸出緩沖模塊的輸出端輸出用于計(jì)算相位的數(shù)字信號(hào)。

進(jìn)一步地，上述襯底的底部設(shè)置有由多個(gè)菲涅爾透鏡構(gòu)成的微透鏡陣列；每個(gè)菲涅爾透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元，用于透射回波信號(hào)光并使回波信號(hào)光匯聚到對(duì)應(yīng)像素單元的光電二極管上。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采集精度高、噪聲濾除能力好，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用于激光測(cè)距系統(tǒng)中能夠提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和抗干擾能力。

2、本發(fā)明采用像素單元陣列對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行面陣探測(cè)，像素單元陣列中的每個(gè)像素單元均對(duì)應(yīng)有完整的讀出電路，工作時(shí)，每個(gè)像素單元同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，相對(duì)于傳統(tǒng)單點(diǎn)探測(cè)的方式，極大地提高了激光測(cè)距系統(tǒng)的掃描速度。

3、像素單元陣列的每個(gè)光電二極管經(jīng)過鏡頭對(duì)應(yīng)不同的空間視場(chǎng)角，圖像空間分辨率高。

4、像素單元陣列中的每個(gè)光電二極管與采樣電路集成于一體，電路簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)的處理在一個(gè)小尺寸的芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

5、探測(cè)裝置采用背照式設(shè)計(jì)，其金屬布線層設(shè)置在光電二極管的底層，光電二極管可以直接與透光面接觸，減少了中間環(huán)節(jié)光線的損失，而且有效的減少了芯片厚度。

6、探測(cè)裝置的襯底底部設(shè)有微透鏡陣列，每個(gè)光電二極管對(duì)應(yīng)一個(gè)微透鏡，更有效將回波信號(hào)光匯聚在對(duì)應(yīng)的光電二極管上，減少了光電二極管之間多余的光線干擾。

7、采用本發(fā)明的探測(cè)裝置的激光測(cè)距系統(tǒng)，避免了激光測(cè)距系統(tǒng)對(duì)機(jī)械掃描裝置的依賴，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1為探測(cè)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是探測(cè)裝置中信號(hào)采集處理單元的電路組成示意圖；

圖3為探測(cè)裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為探測(cè)裝置的側(cè)視剖面圖；

圖5為探測(cè)裝置的讀出電路及其輸出接口系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為探測(cè)裝置的像素輸出布線圖；

圖7為探測(cè)裝置的整體原理框圖；

圖8為探測(cè)裝置中斜波產(chǎn)生電路的原理圖；

圖9為探測(cè)裝置中采樣電路的原理圖；

圖10為探測(cè)裝置的一維行選通模塊輸出示意圖；

圖11為探測(cè)裝置的二維行/列選通模塊輸出示意圖；

圖12為探測(cè)裝置的時(shí)序控制圖；

圖13為探測(cè)裝置的尋址行使能選通開關(guān)邏輯示意圖；

圖14為探測(cè)裝置的尋址列使能選通開關(guān)邏輯示意圖；

以上附圖中的標(biāo)記說明：

101-微透鏡陣列，102-襯底，103-器件有源區(qū)(外延層)，104-金屬布線層，105-互連金屬，106-像素單元陣列，1061-光電二極管，107-數(shù)據(jù)列線，108-數(shù)據(jù)總線，109-行選通地址線，110-采樣電路，112-處理電路，1121-列差分放大電路；1122-a/d轉(zhuǎn)換電路；1123-數(shù)據(jù)輸出模塊，122、124-n型摻雜層，125-p型摻雜層，126-陰極電極，127-陽極電極，128-sio2隔離層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

本發(fā)明所提供的用于采集處理激光信號(hào)的探測(cè)裝置主要由探測(cè)器陣列和信號(hào)采集處理單元構(gòu)成。

參見圖2信號(hào)采集處理單元用于接收和處理探測(cè)器陣列的輸出信號(hào)，包括采樣電路110和由列差分放大電路1121、a/d轉(zhuǎn)換電路1122及數(shù)據(jù)輸出模塊1123構(gòu)成的處理電路112；采樣電路110、列差分放大電路1121、a/d轉(zhuǎn)換電路1122及數(shù)據(jù)輸出模塊1123依次相接；采樣電路110用于完成對(duì)像素信號(hào)的采集和電荷積累，然后以兩路電壓信號(hào)輸出給列差分放大電路1121，將列差分放大電路1121得到的差值信號(hào)傳輸?shù)絘/d轉(zhuǎn)換電路1122，通過a/d轉(zhuǎn)換電路1122將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于計(jì)算相位的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)最終通過數(shù)據(jù)輸出模塊1123傳輸至探測(cè)裝置外的主處理器；

參見圖3，探測(cè)器陣列由多個(gè)獨(dú)立的用于采集激光信號(hào)的光電二極管1061構(gòu)成；光電二極管1061設(shè)置在襯底302(材料為si)上，分布在襯底102與金屬布線層104之間的器件有源區(qū)(外延層)103；

參見圖6和圖7，探測(cè)器陣列中每個(gè)光電二極管1061的負(fù)極端均連接有一個(gè)采樣電路110并與其集成于一體構(gòu)成一個(gè)像素單元；所有像素單元組成一個(gè)像素單元陣列106；處理電路112作為像素單元陣列的讀出電路；

參見圖1和圖3，探測(cè)裝置還包括襯底102、互連金屬105(該互連金屬作為接觸用于實(shí)現(xiàn)器件與si襯底的連接)、金屬布線層104、時(shí)序控制電路和用于生成行選信號(hào)的行選模塊；像素單元陣列106、處理電路112、時(shí)序控制電路和行選模塊均集成在襯底102上，像素單元陣列106通過互連金屬105與金屬布線層104相連，金屬布線層104通過數(shù)據(jù)列線107與處理電路112相連；

參見圖1和圖3，金屬布線層104由多個(gè)金屬布線單元構(gòu)成，每一列金屬布線單元分別對(duì)應(yīng)一列像素單元；每個(gè)金屬布線單元是由多層金屬層和多層介質(zhì)層構(gòu)成，在每層金屬層上均設(shè)有連接點(diǎn)，多層介質(zhì)層分別設(shè)置在相鄰兩層金屬層之間，介質(zhì)層為sio2材料的絕緣層；

參見圖3，襯底102底部還設(shè)置有與襯底102集成于一體的微透鏡陣列，微透鏡陣列由多個(gè)菲涅爾透鏡構(gòu)成，每個(gè)菲涅爾透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元，用于透射回波信號(hào)光并使回波信號(hào)光匯聚到對(duì)應(yīng)像素單元的光電二極管1061上，有利于光電二極管1061吸收光信號(hào)，該微透鏡陣列有效提高了襯底表面透射率。

參見圖4，襯底102頂部設(shè)有sio2隔離層128，在sio2隔離層128上設(shè)有多個(gè)用于內(nèi)嵌陰極電極126和陽極電極127的孔，陰極電極126鑲嵌入襯底102中的接觸面處設(shè)有面積大于陰極電極126截面積的n型摻雜層124，陽極電極127鑲嵌入襯底102中的接觸面處設(shè)有面積大于陽極電極127截面積的p型摻雜層125。襯底102底部具有n型摻雜層122，微透鏡陣列設(shè)置在n型摻雜層122底部。

采樣電路

參見圖6和圖7，采樣電路110有多個(gè)，其與光電二極管1061一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)光電二極管1061的負(fù)極端均連接有一個(gè)采樣電路110并集成于一體。

參見圖9，采樣電路110包括nmos管nm7、開關(guān)s1、s2、s3、s4、s5、s6及電容c1、c2；開關(guān)s1～s4均由一個(gè)nmos管和一個(gè)pmos管對(duì)接構(gòu)成，開關(guān)s5～s6均由一個(gè)pmos管構(gòu)成；開關(guān)s1～s4的nmos管分別記為nm1、nm2、nm3和nm4，開關(guān)s1～s4的pmos管分別記為pm1、pm2、pm3和pm4，開關(guān)s5～s6的pmos管分別記為pm5和pm6；

nm7的源極接光電二極管的負(fù)極端，nm7的漏極同時(shí)與nm1、nm2的漏極以及pm1、pm2的漏極相連，nm7的柵極接箝位電壓vb；nm1和pm1的源極同時(shí)接電容c1的一端，nm2和pm2的源極同時(shí)接電容c2的一端；電容c1和電容c2的另一端分別接地；

nm1和pm1的源極還同時(shí)接pm5、pm3和nm3的漏極；nm1和pm1的柵極分別接控制信號(hào)vs1和vs2；pm5的源極接復(fù)位電源vdd；pm5的柵極接復(fù)位電壓vrst；pm3和nm3的源極相接作為采樣電路的其中一個(gè)輸出端vout1；pm3和nm3的柵極分別接控制信號(hào)vs3和vs4；

nm2和pm2的源極還同時(shí)接pm6、pm4和nm4的漏極；nm2和pm2的柵極分別接控制信號(hào)vs2和vs1；pm6的源極接復(fù)位電源vdd；pm6的柵極接復(fù)位電壓vrst；pm4和nm4的源極相接作為采樣電路的另一個(gè)輸出端vout2；pm4和nm4的柵極分別接控制信號(hào)vs3和vs4；

控制信號(hào)vs1是由探測(cè)裝置外的主處理器發(fā)出的調(diào)制信號(hào)，控制信號(hào)vs2由所述調(diào)制信號(hào)取反得到；

nm7為箝位電路，用于在電容c1、c2上的電壓變化時(shí)，避免光電二極管兩端電壓發(fā)生大的變化；

輸出端vout1和vout2分別連接列差分放大電路1121的同向輸入端和反向輸入端。

圖9所示采樣電路的工作原理：

與光電二極管相連的nmos管nm7起箝位作用，vb為箝位電壓。

電容c1、c2為像素內(nèi)積分電容，開關(guān)s1、s2的作用是控制像素內(nèi)積分過程，開關(guān)s1的nmos管nm1、開關(guān)s2的pmos管pm2的控制信號(hào)vs1和開關(guān)s1的pmos管pm1、開關(guān)s2的nmos管nm2的控制信號(hào)vs2是行選模塊輸出的控制信號(hào)，vs1和vs2電壓相反；vs1置為高vs2置為低，則s1閉合s2斷開；vs1置為低vs2置為高，則s1斷開s2閉合。

開關(guān)s3、s4的作用是控制像素內(nèi)積分電壓的輸出，s3，s4各由一對(duì)pmos和nmos管對(duì)接而成，開關(guān)s4的pmos管pm4的控制信號(hào)vs3和開關(guān)s3的nmos管nm3的控制信號(hào)vs4是行選模塊輸出的行選通信號(hào)，vs3被置高vs4被置低，可使s3和s4斷開，vs3被置低vs4被置高，可使s3和s4閉合。

開關(guān)s5、s6的作用是控制像素內(nèi)電容的復(fù)位，其控制端的vrst信號(hào)來自于行選模塊，vrst被置高，可使s5和s6斷開，vrst被置低，可使s5和s6閉合。

圖9所示采樣電路的工作過程

圖12中，上圖代表某一行每幀的信號(hào)循環(huán)往復(fù)，下圖表示一幀內(nèi)某一行信號(hào)具體的變化情況，不同信號(hào)控制不同開關(guān)的啟閉，下面結(jié)合圖9和12以及開關(guān)的工作狀態(tài)說明采樣電路的工作過程：

步驟一：斷開開關(guān)s3、s4、s5和s6，根據(jù)控制信號(hào)vs1和vs2交替閉合開關(guān)s1和s2，外部光源根據(jù)調(diào)制信號(hào)發(fā)射調(diào)制光，控制信號(hào)vs1與調(diào)制信號(hào)相同，控制信號(hào)vs2正好與調(diào)制信號(hào)相反，回波產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在電容c1和電容c2中。

步驟二：將開關(guān)s1和s2斷開，s5和s6仍保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，通過行選信號(hào)閉合開關(guān)s3和s4，將電容c1和c2的電壓輸送到兩個(gè)列線vout1和vout2上，傳輸?shù)搅胁罘址糯箅娐分校玫诫娙輈1和c2上電壓的差，再將電壓差值信號(hào)傳輸?shù)絘/d轉(zhuǎn)換電路中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終通過數(shù)據(jù)輸出模塊傳輸?shù)教綔y(cè)裝置外。

本步驟中，電容c1的電壓為a1∫m(t)m(t-td)·dt，電容c2的電壓為a1∫[1-m(t)]m(t-td)·dt,經(jīng)過差分放大電路處理后輸出a2∫[2m(t)-1]m(t-td)·dt＝a3·(tc-td)；其中，a1、a2和a3均為系數(shù)，且在時(shí)間近似不變的情況下，為定值。

步驟三：傳輸結(jié)束后，閉合開關(guān)s5、s6，斷開開關(guān)s3、s4，開關(guān)s1、s2仍然處于斷開狀態(tài)，完成對(duì)數(shù)據(jù)列線以及電容c1和c2進(jìn)行復(fù)位。

步驟四：斷開開關(guān)s3、s4、s5和s6，根據(jù)控制信號(hào)vs1和vs2交替閉合開關(guān)s1和s2，光源根據(jù)調(diào)制信號(hào)發(fā)射調(diào)制光，控制信號(hào)vs1比調(diào)制信號(hào)延遲一個(gè)碼片長(zhǎng)度，控制信號(hào)vs2正好與控制信號(hào)vs1相反，回波信號(hào)產(chǎn)生的電荷存儲(chǔ)在電容c1、c2中。

步驟五：將開關(guān)s1和s2都斷開，s5和s6均保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，通過行選信號(hào)閉合開關(guān)s3和s4，將電容c1和c2的電壓輸送到兩個(gè)輸出端vout1和vout2上，傳輸?shù)搅胁罘址糯箅娐分械玫诫娙輈1、c2上電壓的差值，再將電壓差值信號(hào)傳輸?shù)絘/d轉(zhuǎn)換電路中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終通過數(shù)據(jù)輸出模塊傳輸?shù)教綔y(cè)裝置外，當(dāng)傳輸結(jié)束后，閉合開關(guān)s5和s6，對(duì)像素單元內(nèi)的電容進(jìn)行復(fù)位。

本步驟中，電容c1的電壓為a1∫m(t-tc)m(t-td)·dt，電容c2的電壓為a1∫[1-m(t-tc)]m(t-td)·dt，經(jīng)過差分放大電路處理后輸出a2∫[2m(t-tc)-1]m(t-td)·dt＝a3·td。

步驟六：閉合開關(guān)s1、s2、s5、s6，斷開開關(guān)s3、s4，對(duì)光電二極管以及電容c1、c2進(jìn)行復(fù)位。

步驟二和步驟五輸出的兩個(gè)數(shù)據(jù)(a3·(tc-td)和a3·td)用于送入探測(cè)裝置外的主處理器中進(jìn)行計(jì)算以得到距離信息。

獲取距離信息的具體計(jì)算方法為：將a3·(tc-td)和a3·td在fpga中作比值，得到在已知tc的情況下即可得到td；又由于d為待測(cè)目標(biāo)物到探測(cè)器陣列的距離，c為光速，可以得到距離d。

上述步驟二和步驟五中涉及到c1和c2的電壓值，參數(shù)中m是指m序列，tc是指一個(gè)小脈沖的時(shí)間，碼片的時(shí)間長(zhǎng)度；td是返回的延遲時(shí)間。

列差分放大電路

參見圖7，列差分放大電路1121的數(shù)量等于像素單元陣列的列數(shù)，一個(gè)列差分放大電路對(duì)應(yīng)一列像素單元；每一列像素單元的所有采樣電路的輸出端均與該列像素單元所對(duì)應(yīng)的列差分放大電路的輸入端相連；所有列差分放大電路的輸出端均與a/d轉(zhuǎn)換電路1122的輸入端相連。

a/d轉(zhuǎn)換電路

參見圖7，a/d轉(zhuǎn)換電路1122包括斜波產(chǎn)生電路和多個(gè)比較器，比較器的數(shù)量等于光電二極管1061的列數(shù)，一個(gè)比較器對(duì)應(yīng)一列光電二極管；斜波產(chǎn)生電路的波形信號(hào)輸出端與每個(gè)比較器的其中一個(gè)輸入端均相連，每一列光電二極管1061所對(duì)應(yīng)的列差分放大電路1121的輸出端與每個(gè)比較器的另一個(gè)輸入端均相連，所有比較器的輸出端均接數(shù)據(jù)輸出模塊的輸入端。

參見圖8，斜波產(chǎn)生電路包括負(fù)載電阻r、積分電容c和運(yùn)算放大器；負(fù)載電阻r的一端接電壓vin1，負(fù)載電阻r的另一端同時(shí)接運(yùn)算放大器的反向輸入端和積分電容c的正極，積分電容c的負(fù)極接運(yùn)算放大器的輸出端vramp，積分電容c的兩端還并聯(lián)有復(fù)位開關(guān)rst，運(yùn)算放大器的同向輸入端接電壓vin2；電壓vin1、vin2用于控制斜波產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的斜波信號(hào)，其中電壓vin1、vin2由探測(cè)裝置內(nèi)的分壓電路產(chǎn)生。

數(shù)據(jù)輸出模塊

參見圖7，數(shù)據(jù)輸出模塊1123包括nbit計(jì)數(shù)器、列選模塊、輸出緩沖模塊和多個(gè)存儲(chǔ)器；多個(gè)存儲(chǔ)器的輸入端與a/d轉(zhuǎn)換電路中的多個(gè)比較器的輸出端一一對(duì)應(yīng)相連，nbit計(jì)數(shù)器和列選模塊分別發(fā)送控制信號(hào)給所有存儲(chǔ)器的控制端，所有存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)輸出端均通過數(shù)據(jù)總線與輸出緩沖模塊的輸入端相連，由輸出緩沖模塊輸出用于計(jì)算相位的數(shù)字信號(hào)。

時(shí)序控制電路

時(shí)序控制電路用于控制探測(cè)裝置內(nèi)的行選模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊中的列選模塊工作，時(shí)序控制電路可以采用現(xiàn)有模塊。

如圖13所示，探測(cè)裝置的行選模塊通過對(duì)行計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，可以得到行選信號(hào)，使能時(shí)間分別與行時(shí)鐘信號(hào)的周期相同；其中row_clk為行時(shí)鐘信號(hào)，圖13中1、2分別表示行選通開關(guān)控制信號(hào)，q<1>至q<n>分別表示1bit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)，nq<1>至nq<n>表示nbit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)。

如圖14所示，探測(cè)裝置的列選模塊通過對(duì)列計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，可以得到列選信號(hào)，使能時(shí)間分別與列時(shí)鐘信號(hào)的周期相同；其中col_clk為列時(shí)鐘信號(hào)，圖14中1、2分別表示列選通開關(guān)控制信號(hào)，q<1>至q<n>分別表示1bit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)，nq<1>至nq<n>表示nbit計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)據(jù)。

探測(cè)裝置的工作原理：

如圖6所示，每個(gè)像素單元均具有與行選模塊相連的行選通地址線109，該行選通地址線109分別連接用于控制每個(gè)像素單元的采樣電路的開關(guān)s1-s6以及復(fù)位電源vdd，其中開關(guān)s1和s2由vs1和vs2給信號(hào)，開關(guān)s3和s4由vs3和vs4給信號(hào)，其中開關(guān)s5、s6及復(fù)位電源vdd是由vrst給信號(hào)；每一列像素單元共用兩根數(shù)據(jù)列線107，數(shù)據(jù)列線107的輸出端依次連接列差分放大電路、a/d轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)輸出模塊；采樣電路110積分結(jié)束后，a/d轉(zhuǎn)換電路中的斜波產(chǎn)生電路開始工作，通過行選模塊給出的行選信號(hào)選擇將某一行像素單元內(nèi)的采樣電路的數(shù)據(jù)讀出；

每一列像素單元對(duì)應(yīng)的列差分放大電路輸出的差分信號(hào)和斜波產(chǎn)生電路的輸出信號(hào)分別送入每一列像素單元所對(duì)應(yīng)的比較器的兩個(gè)輸入端，當(dāng)比較器的輸出端翻轉(zhuǎn)后，在該比較器對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中存下當(dāng)前nbit計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值；

斜波產(chǎn)生電路工作截止后，通過數(shù)據(jù)輸出模塊中的列選模塊給出的列選信號(hào)，控制存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)依次讀取到數(shù)據(jù)總線上，然后通過數(shù)據(jù)輸出模塊中的輸出緩沖模塊將數(shù)據(jù)讀出到探測(cè)裝置外。