TARIFNAME HIZLI TOPLAMA iLE LAZER DARBELERIN MATRIS DETEKTÖRÜ Bulus sahasi, aktif görüntülemeye yönelik kullanilan matris detektörlerin sahasi ve daha özel olarak yüksek saptama yinelemeli darbelerin matris detektörlerinin sahasidir. Aktif görüntüleme genel olarak kisa ve zayif yinelemeli darbeler ile hedefi aydinlatan bir lazer aydinlatma kaynagini uygular. Hedef, atmosfer absorpsiyonu, gözlemleme mesafesi, hedefin yansitma gücü ile kuvvetle indirgenen fotonlarin bir miktarini detektöre dogru yansitir. Yüksek yinelemeli darbe katarlarini saptamaya yönelik bir birinci çözüm, bu boyunca ardisik çok sayida darbenin sekil 1a'da gösterildigi gibi okunmadan önce entegre edildigi uzun bir entegrasyon süresini kullanmaktan olusur. Bu çözüm, hedef tarafindan yeniden yayilan her bir varis darbesi arasina, her bir yayilimda geri saçilan parazit akis bununla birlikte sahnenin tabanindan geleni entegre ederek görüntü karsitligi dezavantajina sahiptir. Esas olarak, atmosferik parazit akisi yaklasik 108 ph/s/cmz'ye ulasabilirken, alinan sinyal 103 düzeyindedir: alinan sinyal dolayisiyla kuvvetle gürültülüdür. Ayrica, parazit akisi yayici ve aliciya ortak olmasi halinde, yakin atmosfer tarafindan ancak ayni zamanda görüntüleme cihazinin mercegi tarafindan geri saçilabilir. Parazit fotonlarin bu akisini kaydetmemeye yönelik olarak bir diger çözüm, her bir darbe yayiliminda detektörü « optik olarak tikamaktan » olusur, tikama, sekil 1b'de gösterildigi gibi hedef tarafindan geri saçilan darbenin varisindan hemen önce devre disi birakilir. Her bir darbe sira olarak entegre edilir akabinde okunur. Bir matris detektörünün her bir fotodetektörlerinin, alinan fotonlari alinan aydinlatma ile orantili olarak elektronlara dönüstüren bir fotodiyot gibi bir alici-vericiyi içerir; bu elektrik yükleri akabinde bir entegratör tarafindan entegre edilir ve orantili olarak gerilime dönüstürülür. Bir okuma devresi, tüm entegratörlerden türeyen okuma sinyallerini çogullar ve matris detektörünün aydinlik bilgilerini içeren bir çikis video sinyalini üretir. Bir darbenin yayilimi sirasinda detektörün tikanmasi günümüzde, her bir fotodiyot ile iliskili entegratörün sifirlamada sürdürülmesi ile veya fotodiyotlarin akiminin entegratörün asagi akis yönünde türetilmesi ile gerçeklestirilir. Tercih edildigi üzere, entegratöre girmeden önce akimin sürüklenmesi, nabzin saptanmasindan önce ve hemen sonra aktive edilir, entegrasyonun verimli süresi böylelikle sahnenin arka planindan gelen bilgiyi elimine ederek hedefin en iyi bir tanimlanmasini mümkün kilan son derece kisa bir zamansal dilime sinirlandirilir. atmosferik spektral aktarim bantlarindan birinde pasif görüntüleme yapabilen bir detektörün gerçeklestirilmesinden olusan uygulamaya dayanir. Kullanilan spektral sablona göre, saptanacak olan sahnenin akis genligi. istenen hassasiyet, detektörün uzamsal çözünürlügü, piksel boyutu, çerçeve frekansi, gibi detektörlerin çesitli yapilari gelistirilmistir ve en uygun hale getirilmistir. Listelenen temel yapilar asagidakilerdir: Diyot ile Kaynak Izleyiciye yönelik « SFD », Dogrudan enjeksiyonlu devreye yönelik « DI », Eksi geri beslemeli veya « tamponlanmis » dogrudan enjeksiyonlu devreye yönelik « Geçit modüllü veya akim aynali devreye yönelik « GMI », Entegrasyon kapasitesi ile dügümlenen transempedansli amplifikatöre yönelik « CTIA Bu yapilarin temel karakteristikleri, performanslari ve uygulamalari Bedabrata Pain and Eric R, Fossum (SPIE Vol. tarafindan « A Review of Infrared Readout Electronics for Space Science Sensors » makalesinde açiklanir. Genellikle astronomiye yönelik uygulamalar amaciyla gerçeklestirilen « SFD » detektörü, oldukça küçük adimli büyük matrislerin gerçeklestirmesine oldukça iyi adapte edilir. Bunun gürültü düzeyi, oldukça düsük sicaklikta zayiftir, ancak kötü bir dogrusallik ile zayif bir anlik dinamikten sikayet eder. En yaygin olarak « Dl » detektörü gerçeklestirilir. Temel dezavantajlari arasinda, asagidakiler belirtilir: . diyot ile entegrasyon kapasitesi arasinda baglanti transistörünün empedansinin hizli bir artisindan dolayi oldukça zayif akislarin saptanmasi sirasinda bunun performanslarinin kuvvetli bir bozunumu, . zayif genlige sahip ve yüksek yinelemeli darbelerin saptanmasi ile uyumsuz zayif bir bant genisligidir. Yapisinin, fotodiyot ile enjeksiyon transistörü arasindaki bir islemsel yükselteç evirici ile dogrudan enjeksiyonlu « DI » detektörünün sahip olduguna benzer oldugu « BDI » detektörü, kisa isik darbelerinin ve büyük genliklerin saptanmasi sirasinda bir dengesizlik riskine (salinim girdisi) sahiptir. zayif girdi gürültü düzeylerine sahiptir, bu durum, bant 1 saptamasina yönelik kullanimina yol açmistir (1.7um'de InGaAs). Ikinci bir avantaj gerçek zamanda dönüsüm artisini ayarlama ve basit sekilde saptanan akislarin düzeylerine adapte etme kapasitesi ile ilgilidir. « GMI » detektörünün büyük dezavantajlari asagidakilerdir: . oldukça kuvvetli bir dogrusal olmama ve özellikle fotositler (pikseller) arasinda artis bakimindan ve kaymalar bakimindan kuvvetli bir dagilim, . yüksek bant genislikleri ve zayif gürültü düzeylerine yönelik fotositin boyutlandirilmasinda hizli bir büyümedir. bir evirici amplifikatörüdür. Gürültü düzeyleri, dogrusallik ve ulasilan bant genislikleri, en verimli olanlar arasindadir ve bunu, oldukça zayif akislarin (<106 ph/s/cmz) saptanmasina ve kisa mono lazer darbelerin saptanmasina iyi adapte edilmis bir detektör haline getirir. Entegrasyon fazi sirasinda, fotodiyot tarafindan saglanan yükler, amplifikatörün girdi dügümü üzerine depolanir ve bu, entegrasyon kapasitesi üzerinde kopyalanan bu yükün miktarinin kesin bir kopyasidir. Entegre edilen yük, amplifikatörün girdisine sahip olanin bosaltilmasina kadar saklanir. Bu durum normal sekilde entegrasyon kapasitesinin kisa devresi yoluyla kaldirilir (sifirlama) ancak ayni zamanda böylelikle düsük bir kesinti frekansini düzelterek fotodiyotun sizinti direnci ile yavas sekilde bosaltilir. Her bir darbe arasinda hizli tikanma ve fotodiyotu sifirlama islemleri (geri saçilima karsi bir koruma ve taban sinyalinin oldukça güçlü bir entegrasyonunu saglamaya yönelik) ile yinelemeli izole bir darbe saptama modunda, bir önceki darbenin saptanmasindan sonra amplifikatörün girdisinde biriken yük, entegratörün amplifikatörünün biten artisindan dolayi fotodiyotun yeniden baglanmasi sirasinda kismen bosaltilir. Bunun sonucunda, dogrusal bir post-entegrasyon islevini gerçeklestirmeye yönelik büyük bir zorluk olusur. 90'li yillarin sonunda, özellikle kizilötesinin birinci spektral bandinda oldukça düsük isik düzeyli pasif görüntülemeye yönelik ve aktif görüntülemeye yönelik ortaya çikan ilgi, oldukça zayif akimlari saptayabilen matris detektörlerin ve oldukça zayif genliklere sahip kisa darbelerin gelisimine yol açmistir. Birinciler arasindan bu tür bir detektör, Robert F. Cannata and al (Indigo Systems Corporation tarafindan « Very Wide Dynamic Range SWIR Sensors for Very Low Background Applications ») makalesinde açiklanir. Çift artisli ve oldukça kuvvetli genlesme katsayisina sahip CTIA türünde bir detektörden bahsedilir. EP 1 515 541 isik darbeli bir detektörü açiklar, burada bir fotodetektör sirasiyla bir entegrasyon periyodu boyunca bir entegratöre akabinde bir referans gerilimine baglanir. US 6 384 413 yapisinin BDI türü oldugu bir pikseli açiklar. Ancak tüm bu detektörler, çok sayida dezavantaja sahiptir. Esas olarak asagidakilerdir: . Her bir aydinlatma ve edinim, detektörün okumasina yönelik akabinde bunun sifirlanmasina yönelik gerekli olan çok sayida milisaniyeye araliklandirilmalidir; bu tür bir detektör böylelikle yaklasik 10 Hz'lik bir ritme, 2 darbe arasindaki bir bilgi kaybina dahi sinirlandirilir. - Bu tür detektörler klasik bir post-entegrasyon, diger bir deyisle odak düzlem disinda, her bir darbeye yönelik bir okuma ile çalisir, bu durum bu post- entegrasyon fazi sirasinda okumanin gürültüsünü arttirir. Bulusun amaci, yüksek bir sinyal/gürültü oranina sahip yüksek ritimli darbelere yönelik bir detektörün elde edilmesidir. Daha açik sekilde, bulusun amaci bir fotodetektör matrisi içeren geri bildirimi yapilan dogrudan enjeksiyonlu isik darbelerine yönelik bir detektördür, her bir fotodetektör bir alici-verici ve ortak geçide monte edilmis bir MOSFET enjeksiyon transistörü, bir geri bildirim amplifikatörü, bir entegrasyon kapasitesi içeren bir entegratörü içerir. Geribildirim amplifikatörü, negatif girdisinin enjeksiyon transistörünün girdisine bagli oldugu ve çiktisinin bu transistörün geçidine bagli oldugu kaskotlu evirici bir diferansiyel amplifikatörüdür. Bu temel olarak, her bir fotodetektöre yönelik bunun alici- vericiyi sirasiyla enjeksiyon transistörünün girdisi üzerine akabinde buna ayni zamanda diferansiyel amplifikatörün pozitif girdisinin bagli oldugu bir referans gerilimi üzerine baglayabilen, alici-verici ile entegratör arasina eklenmis bir çogullama çözücü devre içermesi ile karakterize edilir. Bulusun bir karakteristigine göre, çogullama çözücü devre foto detektörün bir tikanmasini saglamak amaciyla faz zitliginda kontrol edilen iki transistörü (CDgatmg ve (Dgating) içerir. Birinci transistör veya komütatörün kapanmasi, komütatörün zayif direnci vasitasiyla, alici-vericiyi evirici amplifikatörün girdisine takilan bir referans gerilimine (Vref) baglar; ikinci transistör veya komütatörün açilmasi foto detektörünü bunun entegratöründen izole eder. Entegratörün foto detektöre yeniden baglanmasi, birinci komütatörün açilmasi ve ikinci komütatörün es zamanli olarak kapanmasi yoluyla elde edilir. Tercih edildigi üzere, detektör bu amplifikatörün bant genisligini en uygun hale getirebilen, diferansiyel amplifikatöre paralel olarak yerlestirilen, bir geri bildirim kapasitesini (CBL) içerir. Bu avantajli olarak, enjeksiyon transistörünün (Minj) çiktisi ile entegrasyon kapasitesi (Cint) arasina yerlestirilen bir transistör ekranini (Mécr) içerir. Istege bagli olarak, bu ayrica entegratöre bagli bir depolama devresini içerir. lsik darbeleri örnegin birkaç yüz Hz'den fazla bir ritme sahip olan IR darbeleridir. Bulus ayni zamanda bir foto detektör matrisi vasitasiyla isik darbelerinin saptanmasina yönelik, her bir foto detektöre yönelik bir entegratör vasitasiyla yüklerin entegrasyonuna akabinde bu yüklerin okunmasina yönelik adimlar içeren bir proses ile ilgilidir, entegrasyon adiminin asagidakileri içermesi ile: . her bir darbenin alinmasi sirasinda entegratörün açilmasi akabinde çogullama devresi tarafindan iki alis arasinda entegratörün tikanmasina yönelik bir adim, . çok sayida darbe üzerinde entegratör tarafindan entegre edilen yüklerin toplanmasi, ve okuma adiminin, çok sayida darbe üzerinde entegre edilen yüklerin toplaminin bir okunmasini içermesi ile karakterize edilir. Entegratörün açilmasi avantajli olarak faz zitliginda çalisan iki komütatör yoluyla elde Her bir foto detektör, bir alici-vericiyi içerir, entegratörün tikanmasi, bir birinci komütatörün kapanmasi yoluyla ve ikinci komütatörün es zamanli olarak açilmasi yoluyla elde edilir. Birinci komütatörün kapanmasi, komütatörün zayif direnci vasitasiyla, alici-vericiyi bir referans gerilimine (Vref) baglar ve ikinci komütatörün açilmasi foto detektörünü bunun entegratöründen izole eder. Entegratörün foto detektöre yeniden baglanmasi, birinci komütatörün açilmasi ve ikinci komütatörün es zamanli olarak kapanmasi yoluyla elde edilir. Bulusun diger karakteristikleri ve avantajlari, sinirlayici olmayan örnek yoluyla ve ekli sekillere referans ile yapilan detayli açiklamanin okunmasi ile daha anlasilir hale gelecektir, burada: halihazirda açiklanan sekiller 1a ve 1b, önceki teknige göre iki detektörün çalismasini sematik olarak gösterir, birincisi (sekil 1a) bu boyunca çok sayida darbenin okunmadan önce entegre edildigi bir entegrasyon süresine sahiptir, ikincisi (sekil 1b) geri-yansitilan darbenin sahip olduguna sinirlandirilan bir entegrasyon süresine sahiptir, her bir entegrasyon, bir okuma tarafindan takip edilir, sekil 2, bulusa göre bir detektörün çalismasini sematik olarak gösterir, sekil 3, önceki teknige göre bir « BDI » detektörü örneginin temel elemanlarini sematik olarak gösterir, sekil 4, bulusa göre bir detektör örneginin temel elemanlarini sematik olarak gösterir. Sekiller arasinda, ayni elemanlar ayni referanslar yoluyla belirtilir. Bulusa göre detektör, sekil 2'de gösterildigi üzere, yüksek ritimli kisa darbeleri saptayabilen ve bunlari okumadan önce bunlari toplayabilen (post-entegre etme) hizli tikayicili bir detektördür. Süreye göre bu sekilde ilk olarak, hedef tarafindan geri- yansitilan darbelere karsilik gelen faydali akis ve sahnenin tabanindan gelen ve yayilimli atmosferik geri dagilimdan (ve/veya istege bagli olarak cihazin merceginden) kaynaklanan parazit akis gösterilir. Asagida, entegrasyon pencerelerinin sirasi, foto detektör optik olarak, diger bir deyisle hedef tarafindan geri yansitilan iki darbe arasinda tikandiginda devre disi birakilan entegrasyon gösterilir; yayilima geri saçilan akis böylelikle elimine edilir. Bu entegrasyon pencereleri birbirini takip ettikçe, foto detektörün (asagida gösterilmistir) entegrasyon kapasitesi ile entegre edilen yükler çok sayida darbenin alinmasindan SOnra bir seferde okunabilmeye yönelik birikir. Darbeler, lazer darbeler ve daha genel olarak isik darbeleridir. Bulusa göre detektör, BDI türü, diger bir deyisle geri bildirilen dogrudan enjeksiyonlu bir detektörün konfigürasyonuna dayanir. Sekil 3 ile iliskili olarak açiklanan BDI türü bir detektör, asagidaki unsurlari içerir: - paralel olarak bir saptama kapasitesi (11) ile bir fotodiyot (10) gibi bir alici-verici - asagidakini içeren bir entegratör (2) o ortak geçide monte edilen ve enjeksiyon transistörü olarak kullanilan bir MOSFET transistörü ((21) (Minj)), o amplifikatör artisina orantisal olarak enjeksiyon transistörünün empedansini düsürmeye ve sonuç olarak ayni oranlarda enjeksiyon bant genisligini arttirmaya olanak saglayan bir geri bildirim islevine sahip, alici-verici (1) ile enjeksiyon transistörü (21) arasinda bir amplifikatör-çevirici evirici (20), o bir entegrasyon kapasitesi (22) ve bunun yeniden sifirlama transistörüdür (23). Bu detektör avantajli olarak, bir « ÖrnekIe-Tut » depolama kapasitesi (30). bir iliskili transistör (31) ve bir amplifikatörü (32) dahil eden bir depolama devresini (3) içerir. Bulusa göre detektör (100) ayrica sekil 4'te görülen asagidaki elemanlari içerir: transistörünün girdisine (Minj) baglayan bir çogullama çözücüdür (4). Bu çogullama çözücü, transistörün kapanmasi ((41) (CDgatingD ve entegratörün (4) girdi dügümünün (24) potansiyel modülasyonu üzerinde bunun etkisine bagli yüklerin enjeksiyonunu minimum hale getirmek amaciyla kusursuz faz zitliginda kontrol edilen transistörleri ((41) (% ) ve (42) (CDgating) ) içerir. - Enjeksiyon transistörünün (21) girdisi ile bu transistörün geçidi arasindaki bir geri besleme dügümüne yerlestirilen, büyük artis ve bant genislikli kaskotlu evirici bir diferansiyel amplifikatörüdür ((A) (20')). Bu amplifikatör, enjeksiyon transistörünün (21) girdi potansiyelini stabilize eder ve bant genisligini arttirir. Amplifikatörün bant genisligi tercih edildigi üzere, büyük genliklere sahip hizli darbelerin saptanmasi sirasinda devre salinimlarini önlemeye yönelik bir geri besleme (CBL) kapasitesi (25) tarafindan ayarlanir. Bunun optimizasyonu saptanacak olan darbelerin karakteristiklerine (genlik, süre ve yinelenme) göre yapilir. Tercih edildigi üzere, entegratör (2) ayrica entegre edilen yüke göre enjeksiyon transistörünün drenaj potansiyelinin modülasyonunu minimum hale getirmeye olanak saglayan, böylelikle entegrasyon kapasitesi (22) ile entegratörün girdisi (24) arasindaki dekuplaji arttiran bir kaskot montaji gerçeklestiren, enjeksiyon transistörünün çiktisi ((21) (Minj)) ile entegrasyon kapasitesi ((22) (Cint)) arasina yerlestirilen bir transistör ekrani ((26) (Mecr)) içerir. Avantajli olarak, bu transistör (26) entegrasyon kapasitesinin (22) potansiyelinin maksimum desarjini Vecr-Vth-5. (Vecr= transistör ekranin geçidinin sabit potansiyeli, Vth= transistör ekraninin esik gerilimi ve (DT: termal potansiyeldir). Alici-verici (1), degerinin saptamaya ayrilan maksimum süresini sinirladigi bir sizinti direncini (paralel direnç) (12) içerir (süre sabiti: (Cdet+Cstray)Rsh). Sekilde, entegratörün bir parazit kapasitesini gerçeklestirmeye yönelik bir kapasite ((Cstray) (27)) belirtilir. Bu yapi, asagidakilere olanak saglar: - alici-verici (1) tarafindan entegrasyon dügümüne (22) (kapasite) dogru üretilen foto-elektronlarin hizli bir transferi, izolasyon, - tikanma ve entegrasyon fazlari sirasinda alici-verici (1) ve entegratörün girdisinin (24) potansiyellerinin sabit bir degere kesin bir sabitlenmesi, - çok sayili darbelerin toplamasina olanak saglayan büyük entegrasyon kapasitelerinin kullanim olasiligidir. Böylelikle birkaç on kHz'i asabilen yüksek bir ritme yayilan isik darbelerini saptayabilen bir matris detektörü elde edilir. Bulusa göre detektör asagidaki sekilde çalisir. Lazer yayilimi fazinda, transistör ve komütatör ((42) (CDgatingD kapatilir ve alici-vericiyi (1) tipik olarak birkaç on Q'den az oldukça zayif bir direnç (Rgating) vasitasiyla amplifikatörün (20') girdisine takilan gerilime (Vref) baglar. Oldukça zayif zaman sabiti (Cdethating) yayilma esnasinda parazit geri saçilimina yanit olarak fotodiyot tarafindan üretilen akimin hizli bir bosaltimina olanak saglar. Hedef tarafindan geri saçilan lazer darbesinin geri dönüsünden önce, transistör veya komütatör ((42) (dbgatingD, fotodiyotun referans geriliminden (Vref) baglantisini keserek açiktir. Es zamanli olarak, transistör veya komütatör ((41) (GDganngD kapatilir ve fotodiyotu entegratörün (2) girdisi üzerine baglar. Yüksek artisli geri besleme « A » diferansiyel amplifikatörü (20') (tipik olarak 60 dB'den fazladir) kesinlik ile potansiyeli (Vref) alici-verici (1) ile entegratörün girdisi (24) üzerinde tutar. Hedef tarafindan geri saçilan lazer darbesinin geri dönüsünün alinmasinda, alici-verici (1) tarafindan üretilen akim, enjeksiyon transistörü (21) içinden geçer ve bir zaman sabiti (Cdet/((A+1).Gm)) ile kapasite ((Cint) (22)) içine entegre edilir, A, amplifikatörün artisi, Gm, enjeksiyon transistörünün transkondüktansidir. Zayif enjeksiyon rejiminde, Gm transistörün (21) boyutundan bagimsizdir ve enjekte edilen akimi (Iinj) orantisal olarak degistirir (Gm= (q.Iinj)/(KT)) (q=elektron yükü, K=Boltzmann sabiti, T= bilesenin sicakligi). Böylelikle gösterim yoluyla, amplifikatörünün GOdB'Iik bir artisa sahip oldugu bir entegratöre (BDI) bagli 77K'da fotoelektronlu bir akim darbesi, 2ns`lik bir baslangiç zaman sabiti ile entegrasyon kapasitesi üzerine transfer edilecektir (amplifikatörün sonlu bant genisligi ile sinirlama disindadir). Transferin sonunda, transistör veya komütatör ((41) (GJgatingD yeniden açilir ve kapali transistör veya komütatör ((42) (CDgaungD böylelikle alici-vericiyi (1) yeni bir yayilim fazi bekleyisinde, referans geriliminin düsük empedans kaynagina yeniden baglar. Çok sayida darbe, böylelikle transfer edilir ve bir ayni çerçeve periyodu sirasinda entegrasyon kapasitesinde ((Cint) (22)) toplanir. Toplama sonucu son olarak birkaç mili-saniyede okunur. Bulusa göre detektör böylelikle asagidaki avantajlara sahiptir: . özellikle okuma devresinin sinirli ritim nedeniyle saptama ritminde daha fazla sinirlandirilmama, 2 darbe arasinda bilgi kaybini azaltma ve böylece yaklasik kHzilik bir ritimde çalisma, . Okunmasindan önce ve odak düzlemi disinda olmadan ayni detektörün içinde post-entegrasyon sayesinde entegratör içinde saptanan akabinde toplanan çok sayida darbeye yönelik tek bir okuma oldugunda, her bir okumanin ek gürültüsü tarafindan getirilen gürültü üzerine sinyal oraninin bozunumunu azaltmadir. TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR