Cmos焦平面讀出電路及信號讀出控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種CMOS焦平面讀出技術(shù)，尤其涉及一種CMOS焦平面讀出電路及信號讀出控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]焦平面成像系統(tǒng)包括焦平面成像器件(即焦平面陣列)與焦平面讀出電路兩部分構(gòu)成。其基本原理是:焦平面陣列上像元產(chǎn)生的光生電流通過銦柱傳導(dǎo)至讀出電路的采樣單元，光生電流信號經(jīng)采樣單元進(jìn)行采樣、積分處理后，被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，再通過其后的列級處理電路緩沖讀出并最終成像；現(xiàn)有技術(shù)中常見的采樣單元如電容反饋跨阻放大器(CTIA)采樣單元、直接注入型(DI)采樣單元、源隨器型(SFD)采樣單元、反饋增強(qiáng)直接注入型(FEDI)采樣單元、電流鏡柵調(diào)制型(CM)采樣單元等類型。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是:現(xiàn)有的焦平面成像系統(tǒng)中，焦平面陣列中的多個像元與采樣單元采用一一對應(yīng)的連接方式，即一個像元的輸出信號由一個采樣單元處理；在某些場合，可能會出現(xiàn)像元輸出光生信號較為微弱的情況，這時，微弱的光生信號就可能淹沒在器件噪聲之中，使得采樣單元很難對其進(jìn)行采樣輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了一種CMOS焦平面讀出電路，包括由多個像元組成的二維焦平面陣列和由多個采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路；所述采樣單元與像元一一對應(yīng)，采樣單元輸入端與像元輸出端之間通過采樣通道電氣連接；所述采樣通道上設(shè)置有輸入開關(guān)；其創(chuàng)新在于:某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記Celln，m表達(dá)，其中，η表示該像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列數(shù)；則標(biāo)記為Celln，m的像元的輸出端分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記為Celln-1, m、Celln+1, m、Celln, m_l和Celln, m+1的四個像元的輸出端電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)。
[0005]本發(fā)明的信號處理方式(具體的信號處理方式視采樣單元類型而定)及傳感原理均與現(xiàn)有的CMOS焦平面技術(shù)相同，本發(fā)明的創(chuàng)新點在于通過連接導(dǎo)線將二維焦平面陣列中的所有像元的輸出端都連接了起來，這樣做后，我們就可以通過控制連接開關(guān)和輸入開關(guān)的閉合/斷開來實現(xiàn)像元輸出光生電流向采樣單元的選擇性流入，比如在光生電流較為微弱時，我們就可以控制相鄰的多個像元輸出的光生電流注入到同一個采樣單元內(nèi)，從而增強(qiáng)信號強(qiáng)度，避免信號被噪聲所淹沒，提高焦平面成像系統(tǒng)的靈敏度，擴(kuò)展其動態(tài)范圍。
[0006]基于前述硬件方案，本發(fā)明還提出了一種CMOS焦平面讀出電路信號讀出控制方法，所涉及的硬件如前所述；具體的控制方法為:將相鄰的多個像元記為一個探測單元，二維焦平面陣列上的多個像元即形成若干個探測單元，每個像元僅對應(yīng)一個探測單元，分屬于不同探測單元的兩個像元之間的連接導(dǎo)線上的連接開關(guān)處于常開狀態(tài)；則像元向采樣單元輸出光生電流信號時，單個探測單元內(nèi)的所有像元對應(yīng)的多個連接開關(guān)全部閉合，同時，單個探測單元內(nèi)的所有像元對應(yīng)的多個輸入開關(guān)中僅有一個輸入開關(guān)閉合，其余輸入開關(guān)斷開。
[0007]如前所述，采用本發(fā)明的控制方法后，我們可以根據(jù)需要設(shè)定探測單元的劃分方式(比如按正方形或長方形來劃分)，同時還可以控制多個像元的光生電流具體注入到哪個采樣單元中，為后期信號處理提供了多種可選方案，使用戶可以自定義信號讀出方式。
[0008]優(yōu)選地，每個探測單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量相同。
[0009]優(yōu)選地，每個探測單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量為2個或2個以上。
[0010]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:能通過開關(guān)來實現(xiàn)像元輸出光生電流向采樣單元的選擇性流入，提高焦平面成像系統(tǒng)的靈敏度，擴(kuò)展其動態(tài)范圍。
【附圖說明】
[0011]圖1、本發(fā)明的原理示意圖(圖中僅示出了一個像元與其周圍四個像元及對應(yīng)的采樣單元之間的電氣關(guān)系)；
[0012]圖2、二維焦平面陣列上多個像元之間的電氣關(guān)系示意圖；
[0013]圖3、二維焦平面陣列中，以相鄰的四個象元所圍的正方形來劃分探測單元時的電氣關(guān)系不意圖；
[0014]圖4、二維焦平面陣列中，以相鄰的兩個象元來劃分探測單元時的電氣關(guān)系示意圖；
[0015]圖中各個標(biāo)記所對應(yīng)的名稱分別為:采樣單元1、像元2、輸入開關(guān)3、連接開關(guān)4。
【具體實施方式】
[0016]一種CMOS焦平面讀出電路，包括由多個像元組成的二維焦平面陣列和由多個采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路；所述采樣單元與像元--對應(yīng)，采樣單元輸入端與像元輸出端之間通過采樣通道電氣連接；所述采樣通道上設(shè)置有輸入開關(guān)；其創(chuàng)新在于:
[0017]某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記Celln，m表達(dá)，其中，η表示該像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列數(shù)；則標(biāo)記為Celln, m的像元的輸出端分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記為Celln-1, m、Celln+1, m、Celln, m-1和Celln, m+1的四個像元的輸出端電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)。
[0018]所述連接導(dǎo)線和連接開關(guān)均采用與焦平面成像系統(tǒng)制作工藝兼容的CMOS工藝制作；
[0019]一種CMOS焦平面讀出電路信號讀出控制方法，所涉及的硬件包括:由多個像元組成的二維焦平面陣列和由多個采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路；所述采樣單元與像元一一對應(yīng)，采樣單元輸入端與像元輸出端之間通過采樣通道電氣連接；所述采樣通道上設(shè)置有輸入開關(guān)；某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記Celln，m表達(dá)，其中，η表示該像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列數(shù)；則標(biāo)記為Celln, m的像元的輸出端分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記為Celln-1, m、Celln+1, m、Celln, m-1和Celln, m+1的四個像元的輸出端電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)；其創(chuàng)新在于:
[0020]將相鄰的多個像元記為一個探測單元，二維焦平面陣列中的多個像元即形成若干個探測單元，每個像元僅對應(yīng)一個探測單元，分屬于不同探測單元的兩個像元之間的連接導(dǎo)線上的連接開關(guān)處于常開狀態(tài)；則像元向采樣單元輸出光生電流信號時，單個探測單元內(nèi)的所有像元對應(yīng)的多個連接開關(guān)全部閉合，同時，單個探測單元內(nèi)的所有像元對應(yīng)的多個輸入開關(guān)中僅有一個輸入開關(guān)閉合，其余輸入開關(guān)斷開。
[0021]進(jìn)一步地，每個探測單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量相同。
[0022]進(jìn)一步地，每個探測單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量為2個或2個以上。
[0023]參見圖3，以2X2形式的探測單元為例，按本發(fā)明方案將第一行第一列像元Celll, 1、第一行第二列像元Celll，2、第二行第一列像元Cell2，I和第二行第二列像元Cell2, 2四個像元之間的連接開關(guān)閉合，這四個像元與該探測單元以外的其余像元之間的連接開關(guān)斷開，此時，僅閉合Celll，I對應(yīng)的輸入開關(guān)，斷開其他三個輸入開關(guān)，則四個像元所對應(yīng)的四個采樣單元中僅留有一個光生電流通路，因此四個像元所產(chǎn)生的四個光生電流信號將全部流入對應(yīng)Celll, I的采樣單元中，設(shè)Celll, 1、Celll, 2、Cell2，l、Cell2，2對應(yīng)的光生電流大小為Idrtl、Idet2, Idet3, Idrt4，則相比于現(xiàn)有的信號讀出手段，經(jīng)本發(fā)明方案處理之后，Celll，I的等效光生電流大小為Idrtl+Idrt2+Idrt3+Idrt4，當(dāng)光生信號較小的時候，Idetl^Idet2> Idet3> Idrt4可能均會淹沒在噪聲之中，使得采樣單元很難對其進(jìn)行采樣輸出，但采用本發(fā)明之后，等效光生電流變?yōu)樗膫€電流之和，采樣單元能夠采樣的范圍擴(kuò)大，讀出電路的靈敏度與動態(tài)范圍得到提高；依次類推，焦平面陣列中的其他探測單元，按照2X2的方式進(jìn)行連接開關(guān)與輸入開關(guān)的閉合與斷開操作，配合讀出電路的行選、列選等電路，完成整個陣列的讀出，相比現(xiàn)有技術(shù)，整個陣列的讀出時間將得到減小，幀頻明顯提高。
【主權(quán)項】
1.一種CMOS焦平面讀出電路，包括由多個像元組成的二維焦平面陣列和由多個采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路；所述采樣單元與像元--對應(yīng)，采樣單元輸入端與像元輸出端之間通過采樣通道電氣連接；所述采樣通道上設(shè)置有輸入開關(guān)；其特征在于: 某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記Celln, m表達(dá)，其中，η表示該像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列數(shù)；則標(biāo)記為Celln, m的像元的輸出端分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記為Celln-1, m、Celln+l，m、Celln, m-1和Celln, m+1的四個像元的輸出端電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)。
2.—種CMOS焦平面讀出電路信號讀出控制方法，所涉及的硬件包括:由多個像元組成的二維焦平面陣列和由多個采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路；所述采樣單元與像元一一對應(yīng)，采樣單元輸入端與像元輸出端之間通過采樣通道電氣連接；所述采樣通道上設(shè)置有輸入開關(guān)；某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記CelIn，m表達(dá)，其中，η表示該像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列數(shù)；則標(biāo)記為Celln, m的像元的輸出端分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記為Celln_l，m、Celln+l，m、Celln, m-1和Celln, m+1的四個像元的輸出端電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)；其特征在于: 將相鄰的多個像元記為一個探測單元，二維焦平面陣列中的多個像元即形成若干個探測單元，每個像元僅對應(yīng)一個探測單元，分屬于不同探測單元的兩個像元之間的連接導(dǎo)線上的連接開關(guān)處于常開狀態(tài)；則像元向采樣單元輸出光生電流信號時，單個探測單元內(nèi)的所有像元對應(yīng)的多個連接開關(guān)全部閉合，同時，單個探測單元內(nèi)的所有像元對應(yīng)的多個輸入開關(guān)中僅有一個輸入開關(guān)閉合，其余輸入開關(guān)斷開。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS焦平面讀出電路信號讀出控制方法，其特征在于:每個探測單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS焦平面讀出電路信號讀出控制方法，其特征在于:每個探測單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量為2個或2個以上。
【專利摘要】一種CMOS焦平面讀出電路，其創(chuàng)新在于：某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記Celln,m表達(dá)，其中，n表示該像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列數(shù)；則標(biāo)記為Celln,m的像元的輸出端分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記為Celln-1,m、Celln+1,m、Celln,m-1和Celln,m+1的四個像元的輸出端電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：能通過開關(guān)來實現(xiàn)像元輸出光生電流向采樣單元的選擇性流入，提高焦平面成像系統(tǒng)的靈敏度，擴(kuò)展其動態(tài)范圍。
【IPC分類】H04N5-378, H04N5-374
【公開號】CN104754256
【申請?zhí)枴緾N201510174770
【發(fā)明人】李毅強(qiáng), 劉昌舉, 吳治軍, 李明, 祝曉笑
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月14日