(57)【要約】【課題】  レンジ解像度を達成するのに必要な回路速度と密度、レーザーエコーにおけるピコ秒の飛走相違に基づいた小さなターゲット表面変動を明示するのに必要な感度とを具えたレーダー像映システムを提供する。【解決手段】  ターゲットからの光子反射を発生する光子源と、光子反射に反応して検知子アレイ出力信号を生成する検知子アレイと、検知子アレイ出力信号を受信する積層処理モジュールとを有してなり、処理モジュールが少なくとも２個の積層を有し、各積層が受信検知子アレイ出力信号処理のための少なくとも１個の集積回路チップを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子入力に反応して検知子アレイ出力信号を発生する光子検知子アレイと、
検知子アレイ出力信号を受信しかつ電気的に接続されている積層処理モジュールとを有してなり、処理モジュールが少なくとも２個の積層を有しており、少なくとも１個の積層が受信された検知子アレイ出力信号を処理するための少なくとも１個の集積回路チップを有しており、各集積回路チップが検知子アレイ出力信号増幅のための増幅回路を有しており、検知子アレイ出力信号を微分するための微分回路が増幅回路と電気的に接続されており、検知子アレイ出力信号を所定のしきい値と比較するための比較回路が微分回路と電気的に接続されており、
検知子アレイ出力信号をデジタル値に変換するアナログ・デジタル変換回路が比較回路と電気的に接続されており、デジタル値を受信するＦＩＦＯレジスターが変換器と電気的に接続されており、さらなる処理のためにＦＩＦＯレジスターデータを出力する出力手段がＦＩＦＯレジスターを電気的に接続されていることを特徴とする光子検知子モジュール。
【請求項２】
出力手段が少なくとも１個のマルチプレックス回路を有していることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
さらに検知子アレイの電気的に接続のための少なくとも１個のＴ−コネクターが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
デジタル値が１ビットのデジタル値であることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項５】
所定のしきい値が外部プログラム手段によりプログラム可能であることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
検知子アレイが検知子ピクセルの少なくとも１個の８Ｘ１２８アレイからなっていることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項７】
検知子アレイが検知子ピクセルの少なくとも１個の１２８Ｘ１２８アレイからなっていることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項８】
検知子アレイがＩｎＧａＡｓ検知子アレイであることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
ターゲットからの光子反射を発生する光子源と、光子反射に反応して検知子アレイ出力信号を生成する検知子アレイと、検知子アレイ出力信号を受信する積層処理モジュールとを有してなり、該処理モジュールが少なくとも２個の積層を有しており、各積層が受信検知子アレイ出力信号処理のための少なくとも１個の集積回路チップを有していることを特徴とする像映装置。
【請求項１０】
処理モジュールがその上に形成された少なくとも１個のＴ−接続構造を有しており、これが検知子を外部電子装置に電気的に接続していることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
さらに回路手段が設けられていて、処理された検知子アレイ出力信号を電子イメージに変換することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
回路手段が処理された検知子アレイ出力信号を三次元電子イメージに変換することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
光子源がレーザーであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
光子源がパルスレーザーであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
さらにビーム成形光学素子が設けられていて、光子源をターゲット上に結像させることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
さらに収束光学素子が設けられていて、反射光子を検知子アレイ上に結像させることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１７】
検知子アレイがＩｎＧａＡｓ検知子アレイであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１８】
検知子アレイが少なくとも１個のＴ−接続により処理モジュールにバンプ結合されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１９】
検知子アレイ出力信号が比較器により所定のしきい値と比較されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項２０】
外部電子装置が検知子アレイであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光子検知子モジュールと像映装置に関するものであり、より詳しくはレーダー（レーザー・レーダー）像映技術に関するものであり、されに詳しくは高い解像度と感度で部分的に不鮮明またはカモフラージされたターゲットの三次元レーザー像映を可能とする装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在のレーザー像映は一般にターゲットをレーザーで走査して反射された光子（レーザーエコーとも呼ばれる）フオーカルプレーンアレイなどの光子検知子で検知するものである。ターゲットから光子検知子にレーザーエコーが戻るに要する時間を計算してターゲットレンジを決定する。検知子出力信号は電子的に処理されて、三次元対象上に表面体を明示する。そのような像映能力は，例えば車両が葉により不鮮明となったりカモフラージされていたり都会環境の中で像映センサーがターゲットの限られたまたは角度影像のみしか得ることができない場合には、貴重である。
【０００３】
一般に現在のレーダー像映システムはレーザー源と、検知子アレイと結びつけられた適宜な光学素子と、検知子アレイ出力を使用可能な形態に処理する処理回路と、後処理回路と、処理された検知子アレイ出力を得て電子デイスプレー上のイメージなどの使用可能な形態に変換するソフトウエアとを有している。
【０００４】
該システムの動作においては、１個以上のレーザーパルスが所望のターゲットに指向される。ターゲット表面からのレーザーエコーが受信されて適宜な光学素子により検知子アレイ中の検知子中に像映される。戻るレーザーエコーの飛走時間は検知子アレイ面とエコーが受信される表面体との間の距離に応じて変化するので、相対エコー遅れに基づいて三次元イメージが計算できる。
【０００５】
１ナノ秒のレーザーエコー遅れだとターゲット表面変動が約１５ｃｍとなり、５００ピコ秒のレーザーエコー遅れだと約８ｃｍのターゲット表面変動となる。これらの短い時間期間から明らかなように、センチメーターレベル深さ解像度でターゲット表面体を解像するには、非常に高い検知子信号処理とタイミング回路速度が望ましい。残念なことに現在のレーダー像映システムでは必要な回路速度と非常に高い（例えばｃｍ）範囲の解像度と感度とを得る能力を欠いているのである。
【０００６】
これに代えてＣＣＤビデオセンサーなどの従来の受動可視センサーは観察者に簡単に読み取った情報を提供する。にも拘わらず、複雑なビデオ環境（つまりカモフラージされたまたは部分的に不鮮明なターゲット）における正確な光景情報が観察者の意思決定において重要な要因である場合には、このようなタイプのセンサーは望ましくないのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のような従来技術の現状に鑑みてこの発明の目的は、レンジ解像度を達成するのに必要な回路速度と密度、レーザーエコーにおけるピコ秒の飛走相違に基づいた小さなターゲット表面変動を明示するのに必要な感度とを具えたレーダー像映システムを提供することにある。
【０００８】
この発明の他の目的は、信頼性と、高速度と、高い回路密度とを具えたレーダー検知子システムとセンチメーターレベルでのレンジ解像度と感度とを具えた装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このためこの発明の第１の技術思想は光子検知子モジュールに関するものであって、該モジュールは光子入力に反応して検知子アレイ出力信号を発生する光子検知子アレイと、検知子アレイ出力信号を受信しかつ電気的に接続されている積層処理モジュールとを有してなり、処理モジュールが少なくとも２個の積層を有しており、少なくとも１個の積層が受信された検知子アレイ出力信号を処理するための少なくとも１個の集積回路チップを有しており、各集積回路チップが検知子アレイ出力信号の増幅のための増幅回路を有しており、検知子アレイ出力信号を微分するための微分回路が増幅回路と電気的に接続されており、検知子アレイ出力信号を所定のしきい値と比較するための比較回路が微分回路と電気的に接続されており、検知子アレイ出力信号をデジタル値に変換するアナログ・デジタル変換回路が比較回路と電気的に接続されており、デジタル値を受信するＦＩＦＯレジスターが変換回路と電気的に接続されており、さらなる処理のためにＦＩＦＯレジスターデータを出力する出力手段がＦＩＦＯレジスターと電気的に接続されていることを要旨とするものである。
【００１０】
またこの発明の第２の技術思想はイメージ装置に関するものであり、該装置はターゲットからの光子反射を発生する光子源と、光子反射に反応して検知子アレイ出力信号を生成する検知子アレイと、検知子アレイ出力信号を受信する積層処理モジュールとを有してなり、該処理モジュールが少なくとも２個の積層を有しており、各積層が受信検知子アレイ出力信号処理のための少なくとも１個の集積回路チップを有していることを要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば高い像映能力が得られる。これは一部はＲＯＩＣ回路を有した積層を使用したからである。これにより検知子出力処理回路密度が増加し、一方回路導線長さとそれに伴う容量が最少となる。
【００１２】
ＲＯＩＣ回路の積層の結果、専用検知子読出し回路を伴った大きな検知子アレイ（例えば１２８Ｘ１２８以上）を集積することができる。増幅器、しきい値検知子、サンプリング回路、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）、レジスターレンジビンなどがすべて非常に小さなモジュールとなる。
【００１３】
かくして得られたモジュールにより、検知子アレイ上の各検知子ピクセルにより検知された１個以上のレーザーエコーに基づいて小さな三次元ターゲット体を解像するのに必要な回路速度と密度とが達成される。同時に検知子アレイ上の各検知子のための専用処理チャンネルが与えられる。
【００１４】
多層ＲＯＩＣ処理モジュールは積層からなるのが望ましく、該積層は薄い集積回路チップを有しており、各層は１以上の受信チャンネルを有している。像映されたターゲット表面から反射された光子の受信に基づいて、各チャンネルはＴ0（レーザーパルスの開始またはユーザー割当てのＴ0点）から光子戻り時間までのレーザー飛走時間を検知する回路を有している。
【００１５】
飛走情報のレーザーエコー時間は処理されて、ＲＯＩＣ上のレンジビンからなるＦＩＦＯレジスター中に記憶されるデジタルビットに変換される。レンジビン中の高いビットは、一群のレンジビン内におけるその場所に基づいて、例えばレーザーエコーの到着時間を示すものと指定できる。レンジビンデータはＲＯＩＣモジュールから外部回路に多重送信され、該回路はデータを翻訳し、三次元ポイントクラウドなどの使用可能な形態に変換して、デイスプレー上の電子イメージとして表示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１はこの発明の構成のブロック線図であって、レーザー１などの光子源はビーム５を発生し、これがビーム成形光学素子１０を経てシーンまたはターゲット７に指向される。
【００１７】
好ましき実施例にあっては、レーザー１は１０６４ｎｍであり、機械的に整列されて、３００マイクロジュールのシードＹＡＧレーザーであって、５００ピコ秒幅のパルスを生成することができる。マスター・オシレーター・パワー増幅器などのビーム増幅器（図示せず）を設けてもよく、シードビームが増幅器に供給される。シードビームはファラデイー回転子を通過して２個のポンプＹＡＧダイオードを有したフォーパス熱的制御増幅器に入る。
【００１８】
好ましき実施例では、ビーム成形光学素子１０はビーム成形ホログラフレンズであって、方形のビーム領域をターゲット上に投影するのに適している。方形ビーム領域は検知子アレイのその視野内の反射光子を受信・処理する能力を最適化するものである。
【００１９】
ビーム５は好ましくは増幅されて、検知可能なターゲットからの光子反射を発生し、１００ｍで１０％の反射率を有している。
【００２０】
収束光学素子２０が設けられており、好ましくは７５ｍｍ、Ｆ１．４レンズであって、レーザーパルス波長の最適化のための適宜なスペクトルフィルターを有している。収束光学素子２０は配列されて、像映ターゲット７から反射された光子を受信して（つまり集約的ぼんやりさ、主体と背景）、以下に述べるようにこの発明の検知子アレイ上に結像される。
【００２１】
ビームが印加された後、ビーム５をリズレープリズム（図示せず）に通して回転前進させて検知子アレイに照準合せすることにより、ビーム５は選択的にこの発明の検知子アレイと予整列される。収束光学素子２０に近接整列されたビーム成形光学素子１０に２個の光学サブアッセンブリーについて視差誤差を最小にする。
【００２２】
検知子ユニット３０はセンサーアレイまたは検知子アレイ４０と積層処理読出し電子モジュール５０を有している。
【００２３】
検知子アレイ４０は一般に個々のフォト検知子のフォーカルプレーン・アレイであって、ターゲットからの反射光子を検知してそれに反応して信号を発生するのに適している。好ましき実施例では、ＩｎＧａＡｓ検知子アレイが用いられている。Ｉｒｖｉｎｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ社はこの発明における５０μ中心上の４０μ活性検知子を有した１２８Ｘ１２８ＩｎＧａＡｓ検知子アレイを発表している。そこではアレイ上の検知子の１２８Ｘ８組がアクセスされる。
【００２４】
図２、３において、処理モジュール５０は２個以上の層６０の積層を有しており、各層は１以上の読出し電子回路７０を有している。これらは好ましくは集積回路チップであって、検知子アレイ４０から受信された信号を処理する。各読出し電子回路７０は１以上のチャンネル７５を含み、検知子アレイ４０からの電子信号を処理する電子回路を有している。
【００２５】
個々の層６０は、電子回路７０の入力、出力、パワーおよび読出しのグランドパスが金属トレース７３を用いて各層６０の１以上のエッジに接続されて１以上のアクセス導線８０を形成するように、形成されている。
【００２６】
層６０は公知の接着剤６２を用いて相互に結合されており、アクセス導線８０を露出するように処理される（例えばグラウンドまたはラップされる）。層６０は選択的に半導体処理の分野における公知の方法で薄くされて包装される。薄くされた活性層は取扱い上の便宜のためにシリコンキャップチップに埋設される。
【００２７】
適宜な電導性接続パッド９０が処理モジュール５０の１以上の側面上に形成されて、１以上の「Ｔ−接続」８０を形成して、アクセス導線８０を検知子アレイ４０および外部イメージ処理電子素子に接続するようにする。
【００２８】
図３に示すのは検知子アレイ４０上のバンプ結合と金属アクセス導線８０との間のＴ−接続８５である。Ｔ−接続構造により高密度積層が検知子アレイ４０および処理モジュール外の外部回路に接続できる。
【００２９】
この発明の一実施例においては、パッド９０が１以上の処理モジュール側面上に形成されて、検知子アレイ４０のインジウムバンプ結合などのバンプ結合を可能としている。検知子アレイ４０のバンプ結合後、処理モジュール５０上に垂直に配置された検知子アレイ４０により占拠される容積は最少となり、しかも検知子−読出し回路導線長さは最適化されて、速度は増加されるが寄生容量は低減される。かかる接続構造は処理モジュールの高回路密度の有利さを活かし、しかも高速レーザーレンジ解像度に必要な非常に短い回路パスを与えているのである。
【００３０】
図１に戻って、処理モジュール５０の出力を受信・処理する外部電子回路１００はワイヤー結合を通して処理モジュール５０のアクセス可能な表面上の接続パッド９０に接続できる。
【００３１】
システムの動作において、ビーム５はビーム成形光学素子１０から外側に広がり所望のターゲット上に結像される。ターゲットにより吸収されないかまたは鏡面反射されたパルスビームからの光子は種々のターゲット表面からの収束光学素子２０に戻る。ターゲット表面と収束光学素子との間の距離は変動するので、検知子ユニットにより反射光子が受信される時間も変動する。検知子アレイ中の各検知子は検知子アレイから異なる距離にあるシーン表面からの光子反射から戻る多重信号を証明する。
【００３２】
ビーム５は走査中のターゲット領域を横切って掃引されて２５６個の垂直サンプルを得る。レーザーは９４Ｈｚでパルス化されて２５６個の水平サンプルを得て、チャンネルデータは１０２４ＦＩＦＯレンジビン中に記憶する。２５６Ｘ２５６Ｘ１０２４データはフレームとして記憶され、多重フレームが登録され三次元ポイントクラウドに合体されて、ターゲット対象分類のために三次元イメージとして表示される。
【００３３】
反射光子がレーザー１から放射されて検知子アレイ４０の表面に戻る飛走時間はターゲット表面の距離に応じて、光速（ｃ＝３Ｘ１０8ｍ／ｓ）と導光媒体の物理的特性に基づいて、変動する。
【００３４】
ＲＯＩＣチップ上のチャンネルの実施例を図４に示す。図１、４に示すように、各チャンネル７５は専用の検知子信号入力回路として機能できかつ回路を有しており、該回路はＴ0トリガー信号（初期レーザーパルストリガー）を受信して、ＦＩＦＯレジスターに検知子アレイ４０におけるレーザーエコーの到達時間についての基準を与える。レーザーパルスは捕捉間隔（例えば−５００ピコ秒対５００ナノ秒）に比べて短いのが望ましく、多重戻りが単一の検知子ピクセルにより検知できる。
【００３５】
各チャンネル７５は好ましくは非常に大きな帯域幅で動作するアナログ部分を有しており、さらに、ＦＩＦＯレジスターがデータで満たされる間、２ＧＨｚまでで動作するデジタル部分を有している。チャンネル７５にはデジタル・アナログ変換器が含まれており、さらに使用者が比較器のしきい値を調整できる回路を有している。各ＲＯＩＣは多重チャンネル（例えば１２８チャンネル）を含むことができ、これらが単一の出力信号に多重送信されて、外部回路１００によるイメージ処理に供される。
【００３６】
受信されたレーザーエコーは捕捉期間中にチャンネルにより集積・濾過される。集積された信号は増幅・微分される。これにより信号は増幅された信号強度のパルスに戻り変換され、該強度は比較器による検知を可能とする大きさである。比較器はパルスがプログラム可能な所定のしきい値に対して上下いずれであるかを検知する。一実施例にあっては、比較器の出力は２ＧＨｚの速度でサンプリングされて、１ビットのアナログ・デジタル変換信号となる。
【００３７】
一実施例にあっては、各チャンネル７５は１０２４デイープ、ＦＩＦＯレジスターを有しており、これがＴ0からＴ0＋約５０ナノ秒からの比較器からの出力の履歴を記憶する。ＦＩＦＯレジスター中の高ビットは、レジスター中のビットの場所で決定されるように、Ｔ0信号に関してレーザーエコーの到着時間として定義できる。ＦＩＦＯが２ＧＨｚでクロックすると、レジスタービンの各ステージは時間履歴の５００ピコ秒を表わし、これがレンジ履歴の７．５ｃｍと同等と見なされる。Ｔ0トリガー信号のタイミングは変動することができ、これによりより遠くのターゲットから戻るレーザーエコーの戻り時間を長くできる。
【００３８】
ＦＩＦＯの１０２４ステージが満たされた後、ＲＯＩＣは従来のフレームと２０ＭＨｚレートにおけるライン信号とを使って外部回路１００へのデータ（ＭＵＸ）を読み出す。ＭＵＸデータは適宜な外部回路を使って処理でき、ターゲットにより定義される三次元ポイントクラウドを生成し、さらに処理されて三次元電子イメージが生成される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の構成を示すブロック線図である。
【図２】この発明の各層と積層を示す斜視図である。
【図３】この発明の処理モジュールの断面図である。
【図４】この発明の集積回路の回路図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    ：レーザー
５    ：ビーム
７    ：ターゲット
１０、２０：光学素子
３０  ：検知子ユニット
４０  ：検知子アレイ
５０  ：処理モジュール
１００：外部電子回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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