王 飛

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033）

實時激光三維成像焦平面陣列研究進展

王 飛

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033）

研究了應(yīng)用于實時激光三維成像的焦平面陣列技術(shù)，介紹了目前國際上幾種常用的焦平面陣列實現(xiàn)原理與技術(shù)特點，并對其優(yōu)點與不足進行了分析，同時對表征焦平面陣列的主要性能指標以及其對最終成像系統(tǒng)的影響進行了定性分析。根據(jù)對現(xiàn)有技術(shù)的對比分析，提出基于雪崩光電二極管（APD）陣列和讀出電路（ROIC）集成的探測器方案在靈敏度和作用距離等方面具有一定優(yōu)勢，是實現(xiàn)實時三維成像焦平面陣列較為理想的技術(shù)。作者認為在未來十幾年內(nèi)，激光三維成像焦平面陣列規(guī)模有望超過1 024 pixel×1 024 pixel，像元尺寸可降低到15μm。

激光三維成像；閃光式三維成像；焦平面陣列；脈沖飛行時間測距

1 引 言

激光三維成像技術(shù)可以通過掃描方式實現(xiàn)，但成像速度將大大降低，運動目標的探測效率不佳。實時三維成像技術(shù)采用集成的焦平面陣列探測器（Focal Plane Array，F(xiàn)PA），其三維成像速度極快，通過極短的采樣時間或者單脈沖照明，即可獲得目標區(qū)域三維成像，對于高速運動目標探測具有重要價值。近年來，應(yīng)用于激光三維成像的FPA獲得了極大的關(guān)注和大量科研經(jīng)費的支持，發(fā)展迅速。FPA可視為二維光電傳感器，其中每個像素均可以獨立進行時間測量，從而可利用相干方法或者脈沖飛行時間測量（Time of Flight，TOF）技術(shù)獲取目標的距離信息。

實時激光三維成像技術(shù)可以直接獲取姿態(tài)等二維成像難以獲取的信息，在軍事和民用等諸多領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用［1-5］，但對探測器器件具有極高的要求，需要高性能的陣列成像器件、較小的像元尺寸、極高的探測靈敏度、低噪聲、高速讀出電路等來獲得較高的空間分辨率和時間分辨率;同時需要對半導(dǎo)體材料特性、集成工藝、器件結(jié)構(gòu)等進行深入的研究。與國外相關(guān)單位相比，我國在陣列探測器件集成方面還具有較大的差距，由于此類器件在軍事方面有較深的應(yīng)用背景，多數(shù)高性能器件對我國處于禁運狀態(tài)，極大地限制了實時激光三維成像技術(shù)的應(yīng)用。目前，國內(nèi)已逐漸開展實時激光三維成像技術(shù)相關(guān)研究，但受器件限制，進展相對緩慢。

本文介紹了現(xiàn)有實時三維成像用焦平面陣列的研究進展，重點分析了焦平面的陣列實現(xiàn)技術(shù)以及其主要性能指標對系統(tǒng)性能的影響。

2 三維成像焦平面陣列原理與結(jié)構(gòu)

2.1 光混頻器件（Photonic M ixing Devices，PMD）

光混頻器件（PMD Technologies GmbH，Germany）可利用傳統(tǒng)CMOS技術(shù)實現(xiàn)，其工作原理［6-7］如圖1所示。

每個像素由兩個相同的光敏單元a和b組成，如圖1（a）所示。當在a和b間增加調(diào)制電壓時，由于勢阱效應(yīng)，光電荷將向電壓較低的電勢一方積累。當照明光強與時間無關(guān)時，由光照產(chǎn)生的光電流或者光電荷相同，電荷均勻地向a和b積累，如圖1（b）所示。若光強與時間有關(guān)，則將僅向特定的一個方向積累，如圖1（c）所示。

圖1 光混頻原理Fig.1 Principle diagram of PMD

對發(fā)射激光和探測器的勢阱電壓進行調(diào)制，設(shè)為余弦調(diào)制，調(diào)制頻率為f，則探測器a的輸出電壓可表示為：

式中：A為均值，K為對比度，φ0為相位偏置，φd為由脈沖飛行時間引起的延遲。由于在通道間加有推拉電壓，探測器b的輸出相對于a具有π的相移，即：

通過對輸出信號進行多次測量（如在一個周期內(nèi)每隔π/2測量一次），可以獲得相位延遲φd=2πftd，由此即可獲得激光信號的飛行時間。由于混頻發(fā)生在CMOS芯片中，因此，可以采用標準CMOS技術(shù)，在單一芯片上同時集成探測器和讀出電路（Read-Out Integrated Circuit，ROIC）。

目前有部分商用近距離（＜10 m）、緊湊型的FPA（PMD Technologies GmbH，Swiss Center for Microelectronics-CSEM等）。根據(jù)積分時間和距離的不同，對于可明確分辨的目標，此類器件的精度為5～10 mm。當探測器像素視場內(nèi)具有多個不可分辨的目標時，精確度將急劇下降。目前，此類器件的照明光源多為紅外發(fā)光二極管（LED），受照明功率限制，該器件易受雜散光影響而達到飽和，作用距離通常小于10 m。由于其具有體積小、集成度高、成本低等優(yōu)勢，多應(yīng)用于個人消費產(chǎn)品，圖2即為CSEM所研制的三維成像相機。

圖2 CSEM成像設(shè)備Fig.2 CSEM imaging device

2.2 像管（Imaging Tube）方案

全CMOS方案的探測器與ROIC均在同一芯片上，因此該技術(shù)難度較高。尤其是當所采用的激光波長不同時，如在人眼安全波段設(shè)計激光雷達時該技術(shù)就很難實現(xiàn)?；诎踩钥紤]，目前常用的激光雷達系統(tǒng)的激光發(fā)射功率受到極大的限制。當激光雷達由掃描成像走向陣列成像時，由于回波光子數(shù)將分布到n×n陣列上，此限制更為苛刻。采用人眼安全的激光光源，可以使用更大的激光功率獲得更遠的作用距離。對于此問題有兩種解決方案，一種是更換探測器材料，圖3是常見的3種材料的光譜響應(yīng)曲線。可見InGaAs材料在人眼安全波段的響應(yīng)最佳，此外HgCdTe，CdZnTe等材料也有類似的響應(yīng)。因此，可以用這些材料作為探測器的光敏材料，但此類材料成本高，且難以像Si材料一樣采用CMOS技術(shù)制造，像素密度有限。另一種方案是采用像管技術(shù)（Advanced Scientific Concepts Inc.），如圖4所示［8］。

圖3 不同材料的響應(yīng)特性Fig.3 Optical response curves of Si，InGaAs and Ge

圖4 像管結(jié)構(gòu)與實物Fig.4 Imaging cube stucture and the sensor

像管技術(shù)在微光夜視及紅外設(shè)備方面已經(jīng)有相關(guān)應(yīng)用。入射光子到達像管前部的光電陰極上，在陰極背面激發(fā)出光電子。光電子在內(nèi)部電場的作用下加速，到達探測器陣列后進一步產(chǎn)生碰撞電離。撞擊能量越高，F(xiàn)PA對應(yīng)像素的輸出電流越大。此種結(jié)構(gòu)允許使用目前成熟的硅探測器陣列技術(shù)，其距離測量采用數(shù)字計時方式，易于實現(xiàn)。

基于此類FPA的激光雷達系統(tǒng)需要具有較強的數(shù)據(jù)處理能力。例如對于75 mm的測距精度，要求采樣速度達到2 GHz。對應(yīng)100 m的距離范圍，30 Hz的成像速度，每像素的數(shù)據(jù)量可達到80 kB/s。通過自動閾值處理技術(shù)，可以降低部分數(shù)據(jù)率。典型成像實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 128×128陣列成像效果Fig.5 Sample image of 128×128 array

2.3 Geiger模式雪崩光電二極管（GM-APD）陣列

APD利用了光電探測器雪崩效應(yīng)，通過在pn結(jié)上加反向偏壓，由探測器產(chǎn)生的光電子在此偏壓電場的作用下被加速，與材料晶格產(chǎn)生碰撞電離，以進一步產(chǎn)生新的電子空穴對，引發(fā)雪崩效應(yīng)。典型雪崩二級管的增益與偏壓的關(guān)系如圖6所示［9］。

圖6 APD反向電流與反向偏壓的關(guān)系Fig.6 I-V characteristic of APD detector

通常APD多工作于線性區(qū)域，此時的反向偏壓小于雪崩電壓，輸出電流與入射光強成正比例關(guān)系。當探測器偏壓高于雪崩電壓時，輸出電流將迅速趨于飽和，產(chǎn)生一個較強的輸出電流。工作于此區(qū)域的探測器稱為Geiger模式APD。

麻省理工學(xué)院（MIT）的Lincoln實驗室采用Geiger模式的APD代替像管，通過塊接（Bumpbonding）或者橋接（Bridge-bonding）技術(shù)與CMOS時間數(shù)字轉(zhuǎn)換（Time-to-digital Convertor，TDC）ROIC集成，其時間測量方式如圖7所示［9］。

圖7 APD時間測量電路原理Fig.7 Timing circuit for single pixel

當激光器發(fā)出激光脈沖時，計數(shù)器開始計時，當探測器探測到光子時，由于雪崩作用，其輸出將迅速達到飽和，觸發(fā)計時電路的鎖存器，從而使計數(shù)器停止計數(shù)，根據(jù)所采用的時鐘頻率和計數(shù)值，可以獲得探測器飛行時間，此種技術(shù)即為脈沖飛行時間測距技術(shù)（Time-of-flight Ranging）。采用陣列探測器時，單次激光脈沖照明即可獲得整個目標區(qū)域的三維距離像，因此又稱為閃光式三維成像（Flash three dimensional imaging）。

通常Geiger模式探測器需要外加淬火電路。常用的方法分被動淬火和主動淬火兩種，被動淬火簡單易行，但相對所需時間較長，由此引起的探測器死時間（兩次探測間的時間間隔）較長。主動淬火電路相對復(fù)雜，但優(yōu)點是可以獲得較好的時間響應(yīng)。采用高速的計時技術(shù)，時間測量分辨率可在100 ps左右，具有極高的測距精度。

采用此類探測器的主要優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)速度快、易于集成。此類探測器可以達到單光子級的靈敏度，當探測器接收到光子時，其輸出電流可以在數(shù)十皮秒內(nèi)迅速增加，響應(yīng)速度快，可以獲得較高的時間精度。同時其輸出電流大小與入射光強度無關(guān)，且可以驅(qū)動CMOS數(shù)字電路，因此無需對輸出電流信號進行放大和模擬采樣等處理。數(shù)據(jù)讀出結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)全數(shù)字化處理，可以大大降低片上數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度，從而減小芯片面積的占用，易于制造更大規(guī)模的探測器陣列。自MIT開展Geiger模式的APD陣列研究后，單光子陣列探測器（SPAD）陣列迅速發(fā)展，其探測器陣列由最初的4 pixel×4 pixel，迅速提高為32 pixel×32 pixel，256 pixel×64 pixel［10-11］等。目前正積極開展256 pixel×256 pixel規(guī)模的探測器陣列研究，未來可能將探測器規(guī)模進一步推進到1 024 pixel×1 024 pixel規(guī)模［12］，15μm pixel大小。隨著采用的探測器材料不同，響應(yīng)波段從可見、近紅外到中紅外。瑞士的Niclass等［13］研制成功了集成10位計時器陣列的128 pixel× 128 pixel的Geiger模式探測器陣列，探測器光子探測效率在460 nm時最高可達35%，其像素間距最小達到25μm。

Geiger探測器存在的主要問題產(chǎn)生于自身的高靈敏度，因此對噪聲更敏感，探測器間的串擾問題也更為嚴重。為降低探測器串擾，探測器光敏面通常會小于探測器間距，因此探測器的填充因子較低。這一問題可通過光斑陣列照明技術(shù)或者微透鏡陣列技術(shù)解決，特別是采用陣列照明技術(shù)時，探測器的有效視場較小，通過合理的光斑點陣設(shè)計有望獲得更高的探測信噪比。

另一個主要問題是由于Geiger探測器無法區(qū)分入射光強大小，單個光子與多個光子的輸出結(jié)果是一樣的。隨著研究的深入，人們已經(jīng)開始研究線性模式的APD陣列探測器件，此類器件在具有單光子探測能力的同時，也可以獲取回波信號的強度，還可以通過設(shè)定閾值等手段進一步提高噪聲的鑒別能力。不過，相應(yīng)的探測器集成難度也會大大提高。

2.4 線性模式雪崩光電二極管（LM-APD）陣列

為解決Geiger模式APD存在的多種問題［14］，科研人員開始研制線性模式APD陣列。線性模式的APD陣列在達到單光子探測能力的同時，通過ROIC也可以獲得回波信號的強度信息，相比Geiger模式探測器具有以下優(yōu)勢：（1）具有多目標探測能力;（2）采用閾值方式，可獲得較低的虛警概率;（3）對遮蔽目標有更好探測能力;（4）可獲取回波信號強度。

Advanced Scientific Concepts公司目前已經(jīng)開始出售工作波段為1.57μm的三維成像相機，采用128 pixel×128 pixel InGaAs探測器，幀頻為1～20 Hz。此商用產(chǎn)品的靈敏度略低，作用距離＜1 km，定制的DragonEye已經(jīng)搭載到航天飛機［15］上開始交會對接技術(shù)實驗，未來有望應(yīng)用于全自動的空間交會對接以及自動避障等。

法國的CEA Leti研制了320 pixel×240 pixel基于HgCdTe的雪崩光電二極管陣列，工作溫度為80 K，像元尺寸為30μm，可以同時實現(xiàn)2D和3D成像。實驗結(jié)果表明，在30 m的景深條件下可獲得15 cm的測距分辨率［16-17］。

線性模式的APD增益通常較低，但隨著近年來對線性模式APD研究的深入，光子計數(shù)級靈敏度線性模式APD探測器［18-20］的出現(xiàn)，已使Geiger模式探測器的靈敏度優(yōu)勢逐漸降低。

線性模式APD比Geiger模式探測器信號處理更為復(fù)雜，需要對輸入信號進行放大、濾波、高速采樣、閾值比較、存儲等多種操作，對ROIC設(shè)計有較高的要求，其像素工作原理如圖8所示。

圖8 像素結(jié)構(gòu)與計時原理圖Fig.8 Principle diagram of pixel structure and timing

線性APD信號處理包括強度測量和時間測量，如圖8（a）所示。其強度測量采用與CCD類似的積分形式實現(xiàn)，其時間測量采用對基準參考電壓采樣實現(xiàn)原理如圖8（b）所示。脈沖發(fā)射（T1）后，參考電壓開始隨時間線性增加，當激光脈沖回波到達（T2）后，觸發(fā)鎖存器，對參考電壓采樣即V3D，根據(jù)電壓的大小，即可判定脈沖回波時間，獲取目標距離。

由于電路處理結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，占據(jù)的芯片面積增加，使像素的間距提高。為降低像素間距，提高分辨率，人們提出了Z堆疊（Z-stacking）技術(shù)。在此類技術(shù)中，ROIC芯片不再平行于探測器表面，而是垂直于探測器表面，以薄片的形式相互粘合在一起。由于ROIC不再占用探測器面積，因此有望制造更大規(guī)模、更小像元尺寸的探測器陣列。對于此類技術(shù)來說，功率耗散和芯片長度的限制是主要問題。現(xiàn)有技術(shù)條件下，通常認為512 pixel×512 pixel的陣列較為可行。

由于Z堆疊仍存在芯片長度限制，因此，研究人員提出另一項垂直互連探測器陣列（Vertically Integrated Sensor Arrays，VISA）技術(shù)［21］，兩種技術(shù)的結(jié)構(gòu)形式類似，如圖9所示。VISA采用垂直互連代替Z堆疊中的平行結(jié)構(gòu)，因此，可以克服芯片長度限制，可用于制造更大規(guī)模的探測器陣列和更復(fù)雜的片上信號處理系統(tǒng)。

圖9 VISA與Z堆疊技術(shù)結(jié)構(gòu)比較Fig.9 Comparison of VISA and Z-stacking

VISA結(jié)構(gòu)的探測器基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。目前采用VISA技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)256 pixel× 256 pixel規(guī)模的探測器陣列，主要研究單位有DRS Infrared Technology，Rockwell Scientific，Raytheon Vision System等。采用Z堆疊技術(shù)或VISA技術(shù)，可以極大地提高焦平面陣列的像元集成度、信號處理復(fù)雜度、降低片外信號處理時的帶寬需求，可以獲得更高的動態(tài)范圍、更高的飽和閾值、更高的工作溫度、更高的距離分辨率及更小的像元尺寸，這是目前焦平面陣列的熱點研究內(nèi)容。

圖10 采用VISA技術(shù)的焦平面陣列結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of FPA based on VISA technology

3 焦平面陣列器件性能比較

針對不同的應(yīng)用對焦平面陣列器件的選擇可能有不同的需求，其主要性能指標可包括物理特性和光電特性。

3.1 物理特性

物理特性包括探測器陣列的規(guī)模、像元尺寸、像元間距等特性。探測器的陣列規(guī)模決定了單次探測的成像采樣數(shù)據(jù)，規(guī)模越大單次測量獲得的信息量越大，但同時對于激光發(fā)射功率的需求也越高。

像元尺寸和像元間距直接關(guān)系到探測器的填充因子，填充因子越高，探測到的能量越大。像元間距與光學(xué)系統(tǒng)共同作用決定三維成像系統(tǒng)的角分辨率。像元間距越小，同樣光學(xué)系統(tǒng)條件下可獲得的分辨率越高。對于衍射受限系統(tǒng)，角分辨率可表示為：

式中：Δ表示角分辨率，d為像元間距，f為接收系統(tǒng)焦距。

3.2 光電特性

光電特性［22-23］主要包括探測器的光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)度或者量子效率、暗電流（對Geiger模式為暗計數(shù)率）、串擾、電路計時精度、電路計時范圍（測量距離范圍）、死時間長度等。

光譜響應(yīng)范圍主要取決于探測器的材料和制作工藝，與發(fā)射激光的頻率相一致。通常情況下量子效率越高、響應(yīng)度越好探測器越理想。響應(yīng)度通常用A/W表示，即單位功率產(chǎn)生的光電流大小。量子效率通常用百分比表示，即探測器產(chǎn)生光電子與入射光子的比值。

暗電流是指在沒有入射光的條件下由于探測器自身的熱噪聲等原因而產(chǎn)生的輸出光電流，它決定了探測器所能探測的最小光功率，間接影響系統(tǒng)最終的探測信噪比。通常利用制冷等技術(shù)可以有效地降低暗電流。

串擾指由于某一像素的光電流引起的周圍像素光電流的變化。由于串擾將影響探測器的空間分辨能力，因此希望串擾越小越好。串擾產(chǎn)生的原因包括光學(xué)和電子學(xué)。

電路計時精度指集成的ROIC的最小時間測量精度，決定了系統(tǒng)的測距精度和距離分辨能力，高精度的計時分辨率在100 ps左右，對應(yīng)的測距分辨率在1.5 cm左右。

電路計時范圍指ROIC所能測量的最大時間長度，對應(yīng)系統(tǒng)測量的距離范圍，計時范圍越長，需要的計時電路越復(fù)雜，測量距離范圍也越大。實際應(yīng)用需要根據(jù)相應(yīng)的系統(tǒng)要求和測距精度要求進行合理的選擇，以降低系統(tǒng)整體技術(shù)難度和成本。

死時間長度指探測器在經(jīng)過雪崩過程后，恢復(fù)到可以再次進行探測所需的時間長度。此參數(shù)對于Geiger探測器的影響更大，特別是在單像素視場內(nèi)存在多個目標時，死時間決定了系統(tǒng)所能分辨的物體間最小距離范圍［24］。對于被動式淬火，死時間多在100 ns甚至更長，主動式淬火可以將此時間降低在10 ns以內(nèi)，多目標探測能力有質(zhì)的提升。

3.3 用3D相機性能比較

表1為幾種以不同模式探測器為基礎(chǔ)的三維焦平面相機的主要性能參數(shù)，由于未找到相應(yīng)的商用像管類產(chǎn)品，因此未做比較。

由表中數(shù)據(jù)可見，PMD器件在分辨率、陣列規(guī)模等方面領(lǐng)先，對于作用距離要求較低的消費級應(yīng)用較為適宜。Geiger模式探測器在探測器靈敏度方面優(yōu)勢較為明顯，可以利用較低的激光發(fā)射功率實現(xiàn)較遠的作用距離。線性APD目前的研究也逐漸升溫，發(fā)展?jié)摿薮?。對于科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用來說，基于APD陣列探測器的焦平面陣列將是未來激光三維成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。

4 結(jié)束語

實時三維成像技術(shù)是未來激光主動成像技術(shù)的主要發(fā)展方向。從探測器靈敏度及系統(tǒng)最終作用距離方面考慮，基于APD陣列與ROIC集成的探測器方案是目前實現(xiàn)實時三維成像焦平面陣列較為理想的技術(shù)，在靈敏度、作用距離等方面具有一定的優(yōu)勢。目前，三維成像焦平面相關(guān)技術(shù)的發(fā)展受器件生產(chǎn)能力的限制極為明顯，希望國內(nèi)研究人員能夠借鑒國外先進經(jīng)驗，逐步減小與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平差距，更好地服務(wù)于國防與民用事業(yè)。

［1］郭裕蘭，萬建偉，魯敏，等.激光雷達目標三維姿態(tài)估計［J］.光學(xué)精密工程，2012，20（4）：843-850.GUO Y L，WAN JW，LU M，et al..Three Dimensional orientation estimation for ladar target［J］.Opt.Precision Eng.，2012，20（4）：843-850.（in Chinese）

［2］張健，張雷，曾飛，等.機載激光3D探測成像系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國光學(xué)，2011，4（3）：213-232 ZHANG J，ZHANG L，ZENG F，et al..Development status of airborne 3D imaging lidar systems［J］.Chinese Optics，2011，4（3）：213-232.（in Chinese）

［3］喬培玉，何昕，魏仲慧，等.高斯濾波器在子彈三維圖像特征提取中的應(yīng)用［J］.液晶與顯示，2012，（5）：708-712. QIAO PY，HE X，WEIZH H.Application of gaussian filter in extracting bullet feature of3-D bullet image［J］.Chinese J.Liquid Crystals and Displays，2012，（5）：708-712.（in Chinese）

［4］周娜，安志勇，譚清中.基于激光雷達的形面掃描技術(shù)研究［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2011，9（5）：58-60. ZHOU N，AN ZH Y，TAN Q ZH.Research on profilemeasurement technology based on the laser radar［J］.Opt.Optoelectronic Technology，2011，9（5）：58-60.（in Chinese）

［5］邢建芳，龔華軍，張趙行，等.三維數(shù)據(jù)場在掃描式體顯示器中的可視化［J］.液晶與顯示，2012，（4）：529-534. XING JF，GONG H J，ZHANG ZH X，et al..Visualization of3D datasets based on swept-volume display［J］.Chinese J. Liquid Crystals and Displays，2012，（4）：529-534.（in Chinese）

［6］LUAN X M.Experimental investigation of photonic mixer device and development of TOF 3D ranging systems based on PMD technology［D］.Siegen：University of Siegen，2001.

［7］RINGBECK T，HAGEBEUKER B.A 3D time of flight camera for object detection［EB/OL］.（2007-07-12）［2013-02-22］.http：//www.ifm.com/obj101D-Paper-PMS.pdf.

［8］STONEW C，JUBERTSM，DAGALAKISN，et al..Performance analysis of next-generation LADAR for manufacturing，construction，and mobility［EB/OL］.（2004-05-06）［2013-02-11］.http：//fire.nist.gov/bfrlpubs/buildO4/artO32.html.

［9］AULL B F，LOOMISA H，YOUNG D J，et al..Geiger-mode avalanche photodiodes for three-dimensional imaging［J］. Lincoln Laboratory J.，2002，13（2）：335-350.

［10］DRIES JC，MARTIN T，HUANGW，etal..InGaAs/InP avalanche photodiodes arrays for eye safe three-dimensional imaging［J］.SPIE，2003，5074：11-17.

［11］YOUNGER R D，MCINTOSH K A，CHLUDZINSKI JW，et al..Crosstalk analysis of integrated geiger-mode avalanche photodiode focal plane arrays［EB/OL］.（2009-04-01）［2013-02-11］.http：//dspace.mit.edu/handle/1721.1/52684.

［12］FIGER D F，LEE J，HANOLD B J，et al..A photon-counting detector for exoplanet missions［J］.SPIE，2011，8151：81510K

［13］NICLASSC，F(xiàn)AVIC，KLUTER T，et al..A 128 128 single-photon image sensor with column-level 10-bit time-to-digital converter array［J］.IEEE J.Solid-State Circuits，2008，43（12）：2977-2989.

［14］WILLIAMSGM.Limitations of geiger-mode arrays for flash LADAR applications［J］.SPIE，2010，7684：768414.

［15? NASA Space Shuttle Mission STS-127［EB/OL］.［2013-02-22］.http：//www.nasa.gov/pdf/358018main-sts127-presskit.pdf.

［16］de BORNIOLE，CASTELEIN P，GUELLECF，etal..A 320x256 HgCdTe avalanche photodiode focal plane array for passive and active 2D and 3D imaging［J］.SPIE，2011，8012：801232.

［17］BORNIOL E，ROTHMAN J，GUELLEC F，et al..Active Three-dimensional and thermal imaging with a 30μm pitch 320 ×256 HgCdTe avalanche photodiode focal plane array［J］.Opt.Eng.，2012，51（6）：06305.

［18］YOUMANSD G.Linear-mode avalanche photo-diode detectorswith a quasi deterministic gain component：statisticalmodel studies［J］.SPIE，2011，8037：803716

［19］JACK M，WEHNER J，EDWARDS J，et al..HgCdTe APD-based linear-mode photon counting components and LADAR receivers［J］.SPIE，2011，8033：80330M.

［20］BECK JD，SCRITCHFIELD R，MITRA P，et al..Linearmode photon counting with the noiseless gain HgCdTe e-APD［J］.SPIE，2011，8033：80330N.

［21］BALCERAK R，HORN S.Progress in the development of Vertically Integrated Sensor Arrays［J］.SPIE，2005，5783：384-391.

［22］MCMANAMON P F.Review of ladar：A historic，yet emerging，sensor technology with rich phenomenology［J］.Opt. Eng.，2012，51（6）：060901.

［23］GATT P，JOHNSON S，NICHOLS T.Geiger-mode avalanche photodiode ladar receiver performance characteristics and detection statistics［J］.Appl.Opt.，2009，48（17）：3261-3276.

［24］GATTP，JOHNSON S，NICHOLST.Dead-time effects on Geiger-mode APD performance［J］.SPIE，2007，6550：65500I

Research progress in focal plane array for real-time laser three dimensional imaging

WANG Fei
（State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：felixw@163.com

In this article，we introduce severalmain Focal Plane Array（FPA）structures used nowadays and try to find their advantages and shortcomings.Severalmain parameters used to describe the performance of FPA and their influences on system performance are described.On the analysis and comparison for existing FPA technologies，it suggests that the integrated detecting scheme based on a Avalanche Photodiode（APD）and a Read-out Integrated Circuit（ROIC）will be an ideal real-time three dimensional imaging technology due to its advantages in sensitivity and operation ranges.It also indicates that in the near future，the scale of FPA can exceed 1 024 pixel×1 024 pixel with a pixel pitch of 15μm.

laser three dimensional imaging;flash three dimensional imaging;Focal Plane Array（FPA）;pulse time-of-flight ranging

TN215；TN249

A

10.3788/CO.20130603.0297

1674-2915（2013）03-0297-09

2013-02-22；

2013-04-25

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（No.2012AA7031024G）

王 飛（1981—），男，河北容城人，博士，助理研究員，2010年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光電探測與激光三維成像技術(shù)的研究。E-mail：felixw@163.com