一种复合型阵列探测器与使用其的探测系统的制作方法

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种复合型阵列探测器与使用其的探测系统。

背景技术：

随着时代的发展人们对于科技依赖也越来越高，在不同的场景下对于产品的功能也存在不同的需求，例如，现在以人为本构建的万物物联场景，对于人这种特定对象的识别将变得非常必要，其中包含了生物信息的识别，而当前基本每种生物的识别方案基本上都是基于身体特定区域的特征而唯一地建立。通常，指纹识别用于手指，将指纹作为每个人特有的区别特征来进行一些隐私信息等的保护，系统通过信息获取模块获取携带生物特征的各个对象的特定信息，并进一步处理该生物特征，进一步的处理可以包含将所获得的生物特征与特定用户存储的生物特征相匹配，一旦完成匹配，则认证成功，完成了指纹等特有信息的识别，其应用也越来越广泛，例如指纹识别功能的智能门锁，手机的屏下指纹识别，安防安保系统等等。

在其他的应用场景中面部特征也作为个体的差异化特征用于区别不同的个体，其实现原理与指纹识别类似，其对人脸的清晰度有一定的要求例如720p或1080p的全正面图像，而较低质量的图像和偏轴面部角度不仅会造成识别的失败，这种对于图像的存储和面部图像的大量计算也受到很大程度的限制，作为一种在场景中测量与物体相距距离的方法，飞行时间(tof)技术被开发出来。这种tof技术可以应用于各种领域，如汽车工业、人机界面、游戏、机器人和安防等等，其能获得人的三维轮廓特征，使得tof飞行时间方案在轮廓识别上其也具有更高的准确性，和更高的安全性。一般来说，tof技术的工作原理是用光源发出的已调制光照射场景，并观察场景中物体反射的反射光。而在现有探测系统中为了保证探测过程中可以获得更高的探测效率同时也保证探测系统具有更宽广的视野，目前采用较多的是一种阵列型接收模块，阵列型接收模块中可以有成千上万的像素单元，每个像素单元可以为电荷耦合半导体ccd或者互补金属氧化物半导体cmos型等等类型的二极管，此处并不限定只以此两种类型二极管组成阵列型接收模块，而指纹识别方案一种应用较多的方法为脊谷特征识别的方案，由于脊谷在高度上存在差异，通过类似于飞行时间的方案直接获得何处为脊何处为谷，再通过脊谷的分布特征就可以勾勒出整体的指纹轮廓和纹理方向，然而在很多场景中对于安全性要求特别高，单一的指纹识别方案和面部特征识别方案都存在被钻空子的风险，另一方面单纯地叠加方案在系统复杂度和成本又不具有优势，因此设计出一种能够实现复合功能同时成本较低复杂度小的传感器是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种复合型阵列探测器与使用其的探测系统，以解决现有技术中等等的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

本申请实施例第一方面提供了一种复合型阵列探测器，包含阵列型布置的探测模块，所述探测模块包含多个探测单元，所述探测单元的部分获取第一探测信息，剩余的多个探测单元的至少部分探测单元获取第二探测信息，所述第一探测信息与所述第二探测信息对应不同的结果信息。

可选地，所述第一探测信息对应于指纹脊谷特征信息。

可选地，所述第二探测信息为飞行时间获取的距离特征信息。

可选地，所述第二探测信息为二维图像特征信息。

可选地，获取所述第一探测信息的探测单元与所述获取第二探测信息的探测单元按照如下至少之一的方案排布为具有预设规律的图案：

均匀固定间隔、非均匀预定规律、随机产生排布规则等等。

可选地，所述第一探测信息获取时间段与所述第二探测信息获取时间段在时序上不交叠。

第二方面，本发明提出一种使用第一方面的阵列型探测器的探测系统，包含阵列型布置的探测模块，所述探测模块包含多个探测单元，所述探测单元的部分获取第一探测信息，剩余的多个探测单元的至少部分探测单元获取第二探测信息，所述第一探测信息与所述第二探测信息对应不同的结果信息。

可选地，所述第一探测信息对应于指纹脊谷特征信息。

可选地，所述第二探测信息为飞行时间获取的距离特征信息。

可选地，所述飞行时间获取的距离特征信息对应于人的脸部轮廓特征信息。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供的复合型阵列探测器，包含阵列型布置的探测模块，所述探测模块包含多个探测单元，所述探测单元的部分获取第一探测信息，剩余的多个探测单元的至少部分探测单元获取第二探测信息，所述第一探测信息与所述第二探测信息对应不同的结果信息，通过本发明的方案，在阵列型探测模块层面直接实现不同功能的探测单元复合型布局，能够一方面保证探测模块的构造简单，数据传输和处理不需要单独布置独立的模块降低了系统的复杂度，另一方面，不同功能的探测单元可以通过不同规则的穿插型布置保证各个功能所具有的视场角一致，能够尽可能地保证复合型探测系统的分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术提供的一种阵列型接收模块的示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种复合型探测器结构示意图；

图3为本发明的实施例提供的另一种复合型探测器结构示意图；

图4为本发明的实施例提供的一种复合示意图；

图5为本申请实施例提供的一种tof测距电路原理示意图；

图6为本申请实施例提供的一种指纹脊谷识别电路原理示意图；

图7为本申请实施例提供的一种复合型阵列模块中像素单元示意图；

图8为本申请实施例提供的一种不同功能模块在不同时序上排布示意图；

图9为本申请实施例提供的一种复合功能探测器应用示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

接收模块可以采用如图1所示的阵列型接收模块，阵列型接收模块中包含二极管组成的像素单元110，在实际的实现中可以采用m*n个像素单元组成阵列型接收模块的有源区，其组成的像素单元可以为上万数万乃至数十万等等的量级，此处并不限定，阵列型接收模块可以包含透镜部101和探测单元基体部102，透镜部包含多个透镜单元，透镜单元可以为具有预定曲率的微透镜单元组成，当然为了保证对于返回光的最大限度的利用透镜部也可以包含多于1层的结构，此处并不限定具体的实现方案，在更优的情况下基体部102可以设置于透镜部101对应的焦平面位置，这样可以保证探测像素单元能够最大限度地获取准确的返回光信息，在此情况下透镜部101的透镜能构建一个光通道，使得探测单元的光敏部接收的信号处于相应的焦点位置附近，探测单元基体部102中包含阵列型布置的光敏像素阵列，光敏像素可以通过在半导体基体部102上掺杂形成ccd或者cmos等等类型的光敏单元，同时半导体基体部102还可以包含在像素单元读出中使用的所有模拟信号处理电路，像素电平控制电路和模数转化电路(adc)等等，在电路与光敏单元的位置关系布置时，可以采用沿返回光传播方向上光敏单元的上游布置电路层的前照工艺，或者在沿返回光传播方向上光敏单元的下游布置电路层的背照工艺，此处并不限定具体的实现方式，当然光敏单元和部分电路可以设置于不同的半导体层，再利用堆叠工艺实现更高的集成化设计，此处也并不限定具体的实现方案。

目前采用的探测系统基本包括：光发射模块、处理模块、以及光接收模块，光发射模块包括但不仅限于半导体激光器、固体激光器、也可包括其他类型的激光器，当采用半导体激光器作为光源时，可以采用垂直腔面发射激光器vcsel(vertical-cavitysurface-emittinglaser)或者边发射半导体激光器eel(edge-emittinglaser)，此处仅为示例性说明并不作具体限定，光发射模块发射出正弦波或者方波或者三角波等等，探测系统通常可以使用具有特定波长的探测，例如测距采用近红外波长的光，二维图像获取采用自然的可见光波长，而指纹识别可以采用绿色波段范围的光等等，此处并不限定于此种实现方式。探测系统发出的发射光投射至视场内，遇到被探测物将被反射回光接收模块，接收模块通过阵列型布置的二极管阵列获得返回光并通过处理模块转化为相应的结果信息，例如tof飞行时间信息，指纹的脊谷特征信息和二维图像信息等等。

在测距应用中多为具有一定波长的激光，例如950nm等等的红外激光(最优地为近红外激光)，发射光被投射向视场内，视场内存在的被探测物可以反射投射的激光进而形成返回光，返回光进入探测系统中被光接收模块捕获，所述光接收模块可以包含光电转化部，例如cmos、ccd等等组成的阵列型传感器，还可以包含多个镜头可以形成多于一个的像平面，也就是接收模块包含了多于一个的像平面，接收模块的光电转化部位于之一的像平面处，其可以最常用的四相位方案接收而获得0°、90°、180°和270°的延时接收信号，利用四相为的距离计算方案此处以正弦波的方法为示例进行说明，在四个等距点(例如90°或1/4λ的间隔)测量接收信号的幅度，通过四相位延时信号的结果获得相移信息进而转化为tof飞行时间对应的距离信息，在某些情况下也使用0°和180°两相位方案实现被探测物的信息获取，也有文献公开了0°、120°和240°三相位获得目标信息，甚至有文献也公开了五相位差延时方案，本发明并不具体限定，在实际测量中也有使用方波进行探测的，只需要修改距离与接收信号的对应关系式即可获得被探测物的相位偏移进而获得最终的距离结果。

dtof的测距原理也是比较简单明确的，光源发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标反射返回处于包含雪崩状态spad的阵列型接收端，当在雪崩光电二极管spad在超过其击穿电压的情况下以已知的盖革尔(geiger)模式工作时,可以制成雪崩光电二极管,以检测其中的单个入射光子可以触发无限大放大倍数的光电流。spad成像传感器是由在硅衬底上制造的spad区域阵列构成的半导体光敏器件。spad区域在被光子撞击时产生输出脉冲。spad区域具有在击穿电压之上反向偏置的pn结，使得单个光生载流子可以触发雪崩倍增过程，可以利用配套的电路检测对于由图像传感器接收的光子信号进行处理，以在时间窗口内对来自spad区域的输出脉冲进行计数，其中为了获得高可信度的结果可以发射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结果的处理可以获得更精确的距离。

在指纹识别中实际上可以将问题进行简化，识别出不同位置是脊部位置还是谷部位置，再通过后处理即可勾勒出指纹特征包括指纹的纹路和走向信息等等，为了保证指纹获取的准确性和高效性，传感器的芯片需要覆盖更大的视场，另一方面指纹传感系统对于分辨率又不需要过高，因为脊谷特征的区分比较简单，并且在某些方向上特征变化很小。

图2为本发明实施例提出的一种阵列内部实现复合功能探测的方案，由于指纹识别需要对应更大的视场范围，因此本发明在获取第二探测信息的阵列中穿插获取第一探测信息的探测单元，其中第二探测信息可以为二维图像信息，也可以为获取tof距离信息此处并不限定，第一探测信息对应指纹脊谷特征。图2示意了一种均匀布置的第一信息获取单元201的示意图，在第二信息获取的阵列单元202中均匀穿插单元201，此处采用等差的插入方式布置第二信息的获取单元201，如此能保证在阵列尺度上第二信息的获取单元能够最大限度地分布，然而由于脊谷特征对于分辨率的特殊要求，可以保证探测信息不至于太繁冗，这样能够最大限度降低后端数据处理的压力。

图3为本发明实施例提出的另一种阵列内部实现复合功能探测的方案，与图2的不同在于本方案的第二信息获取单元302为非均匀布置的，例如可以按照预设的函数关系式产生分布规律，例如利用预设的函数关系建立出第二信息获取单元的位置分布函数f(x，y),当然也可以利用计算机等产生随机序列或者伪随机序列等等来构建出具有随机分布特性的第二信息获取单元分布图案，在这些场景中，可以利用需要识别的指纹和tof等信息的获取需求，确定两种信息的探测单元占比(从而兼顾两种信息探测的需求)，两种单元的具体排布规则可以按照上述任一方式实现，此处并不限定实现方式。

图4为本发明实施例提供的一种指纹脊谷特征识别原理示意图，如图所示探测系统发射的探测光经过被探测对象，也就是指纹的反射返回系统，由于脊谷在距离探测系统的距离上存在差异，图4中的(1)代表了发射光的时序，(2)代表了经过较远的谷处返回的信号光示意图，(3)代表了经过较近的脊处返回光的示意图，因此通过控制积分窗口，在相同的窗口期内脊谷所对应的积分信号将存在差异，通过识别出不同返回光的积分信号可以比较容易地识别出脊谷的位置，从而完成指纹脊谷的特征识别，进一步为了保证识别的高效性最优地指纹距离探测系统不宜过远，这样就可以尽可能地减少由于无用距离在积分时间段内的累积而造成信号光的信号识别度降低的问题，当然此处也不限定与接触式的探测，在一定的范围内可以的实现指纹的空间识别，此时可以通过背景光信号相消等方案来减弱甚至消除背景光的影响。

图5为本发明实施例提供的一种复合阵列中2tap功能实现的积分电路原理图，像素单元占用一定的面积，通过调制解调模块对于返回光信号进行积分解调，积分电荷经过浮动扩散节点，经过后续的晶体管控制转变为可被处理的电信号送至处理模块完成信号的获取。

图6为本发明实施例提供的一种复合阵列中指纹脊谷特征识别的单元电路原理图，与图5的像素单元尺度类似，如此不需要更复杂的差异化加工工序，例如可以将其尺寸制造为3.5μm的尺度，由于脊谷特征的识别只需要差别化脊谷而已，相比较tof单元其具有更简便的特征，也只需要1tap对于积分电荷进行接收，并在后处理中利用比较的方法获得脊谷的差异，从而完成指纹特性的构建。

图7为本发明实施例提供的一种复合阵列探测器的器件单元结构示意图，两者可以采用相类似的工艺进行制造，掺杂浓度也可以相同，如此在制造过程中不需要过多调整设备参数，从而可以实现高效生产的效果，具体的各个模块功能不再进行赘述，可以依据实际的场景进行改变。

图8为利用本发明的复合型探测系统进行探测的原理示意图，例如可以在不同的时间段s81和s82安排两种不同功能的探测，为了保证探测系统后处理电路等的设计更为简便部分器件或者功能模块可以公用，因此在探测过程中两个功能的时序不能出现交叠的部分，在时序s81中可以安排深色的距离探测功能，而在时间上具有间隔的s82时序上安排浅色的指纹特征识别功能，从而实现了整个系统的高效性，也保证了系统工作的可靠性。

图9为本发明实施例提供的一种应用场景，该场景可以为智能门锁，其具有双重功能，可以进行人脸识别，也具有指纹识别功能，在一些特殊的场景中例如，随着技术的发展屏下摄像技术也有可能实现，实现真正的全屏特征，这种情况下也可以进一步采用该符合类型的探测器，当然此处仅示例其应用场景，并不限定于此。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。