本發(fā)明涉及光電探測器，尤其涉及一種采用背照式psd陣列的超大靶面夏克-哈特曼波前探測器。

背景技術：

1、高精度的天文觀測、天體測量離不開高分辨率的天文望遠鏡。目前，利用增大天文望遠鏡口徑來提高分辨率的方法已經觸碰到瓶頸，提升成像分辨率的另一條路徑——自適應光學，逐漸得到廣泛地關注和研究。自適應光學主要通過實時補償大氣湍流導致的波前畸變來提高成像系統(tǒng)質量，其中，波前探測器是系統(tǒng)的重要部件，直接影響著波前矯正的精度和速度。夏克-哈特曼波前探測器(shack-hartmann?wavefront?sensor，shwfs)具有探測速度快、原理簡單、對環(huán)境振動不敏感的優(yōu)勢，成為目前應用最廣泛的波前探測器?，F(xiàn)有的絕大部分shwfs都利用ccd相機來探測子孔徑光斑的質心位置。入射的畸變波前首先被微透鏡陣列分割成許多子波前，這些子波前可近似為一系列平面波。每個微透鏡單元將入射光聚焦到位于焦平面上的二維ccd面陣上，形成子光斑陣列，通過探測畸變波前的子光斑相對于參考波前的子光斑的位置偏移量，就能測量出各個子孔徑波前在x和y方向上的局部波前斜率，最后利用波前復原算法就能重構處波前相位分布。

2、然而，ccd相機存在速度瓶頸，幀率一般僅有幾十hz，無法實時探測快速變化的波前，如大氣湍流導致的波前畸變(時間頻率＞1khz)。另外，由于工藝水平的限制，可制造的ccd相機的感光面積十分有限，無法直接應用在在大口徑激光器的光束質量控制等場景中，一般需配合縮束鏡使用，但會造成空間波前采樣率的降低進而影響波前復原精度。為了克服現(xiàn)有的基于ccd的shwfs速度慢、靶面小的問題，可以采用其他類型的光電探測器取代ccd來探測子光斑的位置。

3、psd是一種專門用于探測光斑位置的光電探測器，具有速度快、精度高、分辨率高、可陣列化的優(yōu)勢。近年來，一些學者研制了基于psd的shwfs，實現(xiàn)了波前探測性能的提升。如浙江大學的kai?chen等研制了基于4×4psd陣列的shwfs，理論分析其可以實現(xiàn)5khz的幀率和0.012μm的波前復原精度，但并沒有進行實驗驗證；美國圣母大學的shaddy等人研制了基于10×10psd陣列的shwfs，并實驗證明了其具有24khz高速探測能力和0.0176μm的波前復原精度。然而，這些psd陣列是將一系列分立的psd器件貼片到封裝基板上實現(xiàn)的，psd之間的間距較大(亞毫米級)，導致相同陣列面積下排布的psd個數(shù)較少，波前的空間采樣率不足，最終導致波前探測精度降低?？偠灾赾cd的shwfs存在探測速度低、探測面積小的問題，將ccd相機替換成二維封裝的psd陣列能有效的解決的這一問題，但又會出現(xiàn)空間采樣率低、波前探測精度低的問題。因此有必要對psd的陣列集成方式進行優(yōu)化，盡量縮小psd單元之間的間距。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于上述的分析，本發(fā)明實施例旨在提供一種采用背照式psd陣列的超大靶面夏克-哈特曼波前探測器，用以解決現(xiàn)有探測器陣列間隙大、采樣率低、速度慢、靶面小、波前復原精度差的問題。

2、一方面，本發(fā)明實施例提供了一種采用背照式psd陣列的超大靶面夏克-哈特曼波前探測器，所述探測器包括：

3、微透鏡陣列，用于將入射波前分割成子波前；

4、背照式psd陣列，用于吸收子波前并生成電流信號；

5、信號處理電路，對psd電流信號進行處理得到光斑偏移；

6、波前重構單元，用于基于光斑偏移恢復波前相位分布；

7、其中，背照式psd陣列和信號處理電路利用凸點鍵合進行3d封裝為整體。

8、基于上述探測器的進一步改進，所述背照式psd陣列，是由多個背照式psd單元組成的一體結構，其中，所述psd單元的結構由光射入方向依次為：

9、第一金屬層，用于透光和信號引出，為psd陣列共用陰極；

10、第二層為p型重摻雜層，用于歐姆接觸；

11、第三層為高阻硅襯底層，用于進行光吸收，產生光生載流子；

12、第四層為二氧化硅基底，在二氧化硅基底中對照邊框區(qū)4個端點的位置植入金屬陽極；

13、所述高阻硅襯底層下部設有光敏區(qū)，光敏區(qū)的外圍設置有邊框區(qū)，邊框區(qū)外部為隔離區(qū)，其中，

14、光敏區(qū)，用作光斑可移動區(qū)域，產生橫向光電效應，產生電子空穴對，

15、邊框區(qū)，用于吸收電子，

16、隔離區(qū)，用于抑制載流子擴散。

17、另一種采用背照式psd陣列的超大靶面夏克-哈特曼波前探測器，所述探測器是由多個背照式psd單元組成的一體化陣列結構；所述多個psd單元的電極均位于正面；所述psd單元沿光入射方向包括依次設置的：

18、高阻inp襯底區(qū)，用于透光和增強器件強度；

19、n型重摻雜區(qū)，用做歐姆接觸；

20、有源區(qū)，用于建立pi結構；

21、所述有源區(qū)的上部中央設置有耗盡區(qū)，所述耗盡區(qū)位于n型重摻雜區(qū)的下方；所述耗盡區(qū)的下方設置有光敏區(qū)，光敏區(qū)的下方邊緣處設置有邊框區(qū)；

22、光敏區(qū)，用作光斑可移動區(qū)域，產生橫向光電效應，產生電子空穴對；

23、邊框區(qū)，用于吸收電子；

24、在有源區(qū)除耗盡區(qū)、光敏區(qū)和邊框區(qū)之外的其他區(qū)域填充二氧化硅，作為掩埋層；

25、在掩埋層中對照邊框區(qū)4個端點的位置植入金屬陽極；

26、在位于n型重摻雜區(qū)的下方且處于所述耗盡層外圍的掩埋層中植入陰極；所述陰極與所述陽極位置一一對應。

27、基于上述探測器的進一步改進，每個psd單元有四個陽極，每個陽極通過一個凸點與信號處理電路連接。

28、基于上述探測器的進一步改進，所述信號處理電路，包括：

29、多路模擬開關，用于接收選通控制信號，根據(jù)選通控制信號接收對應psd分組產生的電流信號再傳入運算放大器；

30、運算放大器，用于將接收的電流信號進行信號放大并轉換為電壓信號，傳入模數(shù)轉換器；

31、模數(shù)轉換器，用于將接收的電壓信號模數(shù)轉換為數(shù)字信號，串行傳入fpga；

32、fpga，用于對數(shù)字信號進行浮點運算獲得子光斑偏移。

33、基于上述探測器的進一步改進，根據(jù)多路模擬開關支持的輸入通道數(shù)、psd陣列大小設置多路模擬開關的數(shù)量，對多路模擬開關進行分組，每個分組包含4個多路模擬開關，每個分組中的多路模擬開關用于選通psd陣列中的不同psd單元的輸出信號；同一分組中的4個多路模擬開關分別用于連接該組對應的psd單元4個陽極對應的凸點；

34、fpga通過控制多路模擬開關，在各分組內依次選通各psd單元的4個陽極的輸出電流。

35、基于上述探測器的進一步改進，所述多路模擬開關應滿足以下條件：

36、式中，

37、ton，toff為多路模擬開關開啟、關閉時間，

38、f為陣列探測光斑位置的目標頻率，

39、k為單個多路模擬開關支持輸入通道數(shù)。

40、基于上述探測器的進一步改進，所述多路模擬開關數(shù)量，與運算放大器、模數(shù)轉換器數(shù)量比均為4:1，所述多路模擬開關數(shù)量的計算方法為：

41、式中，

42、m×n為psd陣列大小，ceil表示向上取整。

43、基于上述探測器的進一步改進，所述對數(shù)字信號進行浮點運算獲得子光斑偏移，指得到各psd探測到的光斑橫向位移和縱向位移，計算出子波前的橫向平均斜率和縱向平均斜率，計算公式為：

44、式中，

45、kx為子波前橫向平均斜率，δx為光斑橫向位移，f為微透鏡陣列焦距；

46、式中，

47、ky為子波前縱向平均斜率，δy為光斑縱向位移。

48、基于上述探測器的進一步改進，其特征在于，所述光斑的橫向位移，計算方法為：

49、式中，

50、v1、v2、v3、v4分別為psd的4路電壓信號，

51、d為單個psd光敏區(qū)的邊長；

52、所述光斑的縱向位移，計算方法為：

53、

54、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少可實現(xiàn)如下有益效果之一：

55、1、不同于傳統(tǒng)的正面受光psd，本發(fā)明利用半導體前道工藝直接在晶圓上制成背照式psd陣列，入射面為共用陰極，光從陰極入射到器件內部，底層基于凸點鍵合3d封裝工藝將背照式psd陣列和信號處理電路集成，psd的陽極電流信號可以直接通過凸點傳遞到信號處理電路上，互連路徑短，無需在平面上分布打線焊盤，顯著縮小陣列間隙，獲得更優(yōu)占空比和更多psd排布數(shù)量形成超大靶面，從而提高波前采樣率，獲得更高的波前探測精度。

56、2、創(chuàng)新的分時選通算法設計，結合優(yōu)化信號處理電路結構，實現(xiàn)利用更少的器件數(shù)量更快完成光斑位移計算，波前探測精度和恢復速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)ccd陣列和二維封裝的正射入psd陣列。

57、本發(fā)明中，上述各技術方案之間還可以相互組合，以實現(xiàn)更多的優(yōu)選組合方案。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分優(yōu)點可從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過說明書以及附圖中所特別指出的內容中來實現(xiàn)和獲得。