高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法制造方法及图纸

技术编号:17100454 阅读:47 留言:0更新日期:2018-01-21 11:51
本发明专利技术涉及数字化图像采集处理技术。本发明专利技术解决了现有数字化像素过程中动态范围较小且精度不高的问题,提供了一种高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法,其技术方案可概括为:高分辨率大动态范围数字化读出装置,包括探测电路、积分读出电路、数字化电路、总线输出电路、反向补偿电路及外部控制信号输入端,反向补偿电路的输入端与数字化电路的输出端连接,其输出端与探测电路的输出端连接后与积分读出电路的输入端连接,或数字化电路还包括固定偏置电压输入端及补偿控制开关,固定偏置电压输入端通过补偿控制开关后与其余部分连接,且与反向补偿电路的输出端连接。本发明专利技术的有益效果是,动态范围及精度均有提高,适用于数字化读出装置。

High resolution and large dynamic range digital readout device and its readout method

The invention relates to the technology of digital image acquisition and processing. The invention solves the problems existing in the process of the dynamic range of digital pixel is small and the accuracy is not high, providing a high resolution and large dynamic range digital readout device and readout method, the technical scheme can be summarized as: high resolution and large dynamic range digital readout device, including detection circuit, integral readout circuit, digital circuit, output bus the reverse compensation circuit and the external circuit, the control signal input, output input reverse compensation circuit and digital circuit is connected with the output end and the output end of the detecting circuit connected with the integration readout circuit is connected with the input terminal, or digital circuit also includes a fixed bias voltage input and compensation control switch, fixed bias voltage the input end is connected with the rest of the compensation control switch, and the reverse compensation circuit is connected to the output end . The beneficial effect of the invention is that the dynamic range and precision are improved, and it is suitable for the digital readout device.

【技术实现步骤摘要】
高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法
本专利技术涉及微电子技术,特别涉及数字化图像采集处理技术。
技术介绍
CMOS图像传感及其焦平面成像技术,因其功耗低、成本低及光谱灵敏度高等特点,广泛应用于空间遥感和天文物理等领域,CMOS成像技术主要包括:光电探测器、读出电路及信号处理电路,一般原理是光电探测器将光信号转换为电信号,再由读出电路对电信号进行积分放大及采样输出,然后由模数转换ADC等信号处理模块进行量化处理,成像阵列一般是将探测器产生的光电信号在电容上进行积分后以电压的形式传给后续信号处理电路,都是在固定积分时间完成后,通过采样开关对电压信号进行采样及保持,当探测信号动态范围较大时,强光信号在极短时间内即可积分到截止电压,而弱光信号积分完成时积分电压很小,数字化精度要求高。一般图像传感电路动态范围,即输出的最大可探测信号与最小可探测信号之比,与积分时间、积分饱和电压及积分电容有关,数字化后所需的数字位数越多,对应的图像传感电路动态范围越大。普通方式成像技术,以光电转换、积分、采样保持及模数转换为主的光强检测技术,量化时ADC精度要高于最小可探测信号,且在固定积分时间内强光积分电压不可超过积分饱和电压,限制了动态范围且增加了后续处理信号精确度和复杂度。以改变积分电容方式下的光强检测技术,对于强光来说所需并联积分电容很大,且仅仅对强光信号探测范围有所增加。以多次比较重置方式的光强检测技术,提高动态范围的方式提高了强光背景的检测,但对弱光信号的检测误差较大,弱光背景下无法实现高精度数字化。上述已有检测方法需要在积分完成后,将电压信号送入ADC(模数转换)处理来判断光照强弱,因此存在以下缺点:1)需要将积分电压与多个参考电压进行比较,生成这些参考电压需要精确、复杂的电路,特别是检测较弱的信号需要高精度检测,要求比较电路具有很高的精度,否则比较过程会因为信号太弱而无法进行;2)以自动调节曝光方式为代表的动态范围增强技术只能判断光照是否使像素饱和,不能检测出该光强的具体值(可参见文献1,HuangLW,HsiehCC,ChangWH,etal.A1.8VreadoutintegratedcircuitwithadaptivetransimpedancecontrolamplifierforIRfocalplanearrays[C]//Sensors,2011IEEE.IEEE,2011:1145-1148.);3)以强光背景下多次比较重置,计算比较器翻转次数来提高动态范围的方式,只是在传统读出电路方式上增加了比较模块来提高强光探测范围,对较弱光强或较弱的光强剩余量仍需要精确复杂的模数转换电路(可参见文献2,CaiJ,RanF,YangH,etal.ACMOSImageSensorwithSelf-ResetCircuitinActivePixel[C]//ImageandSignalProcessing,2009.CISP'09.2ndInternationalCongresson.IEEE,2009:1-4.);4)通常检测过程必须等待积分完成后才能开始,这就需要在积分或读出之后安排额外的比较时间,降低了整个电路读出的速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决目前数字化像素过程中动态范围较小且精度不高的问题,提供一种高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法。本专利技术解决其技术问题,采用的技术方案是,高分辨率大动态范围数字化读出装置,包括探测电路、积分读出电路、数字化电路及总线输出电路,所述探测电路的输出端与积分读出电路的输入端连接,积分读出电路的输出端与数字化电路的输入端连接,数字化电路的输出端与总线输出电路连接,其特征在于,还包括反向补偿电路及外部控制信号输入端,所述反向补偿电路包括输入端、输出端、一个非弱光补偿电流源及至少一个弱光补偿电流源,所述反向补偿电路的输入端与数字化电路的输出端连接,数字化电路的输出端还与探测电路的复位端连接,所述积分读出电路具有两个复位端,分别能够完成积分读出电路的复位,所述数字化电路的输出端还与积分读出电路的任意一个复位端连接,外部控制信号输入端分别与数字化电路及反向补偿电路连接;所述探测电路用于转换光信号为电信号输出给积分读出电路,同时根据其复位端接收信号进行复位控制;所述积分读出电路用于对探测电路输入的电信号进行积分读出,读出的信号输出给数字化电路,同时根据其任意一个复位端的接收信号进行复位控制;所述数字化电路用于将积分读出电路读出的信号转换为数字化信号输出,并分别比较该读出的信号是否为强光信号及弱光信号,当判断是否为强光信号时,根据结果向与其连接的积分读出电路的复位端输出复位信号,且与外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制探测电路的复位,当判断是否为弱光信号时,若为弱光信号,与通过外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制反向补偿电路的对应弱光补偿电流源进行补偿,若为非弱光信号,与通过外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制反向补偿电路的非弱光补偿电流源进行补偿;所述反向补偿电路的输出端与探测电路的输出端连接后与积分读出电路的输入端连接,或数字化电路还包括固定偏置电压输入端及补偿控制开关,固定偏置电压输入端通过补偿控制开关后与数字化电路的其余部分连接,反向补偿电路的输出端和补偿控制开关与数字化电路的其余部分连接的那一端连接,该补偿控制开关的控制端与积分读出电路中未与数字化电路连接的复位端受同样的外部复位控制信号控制。具体的,所述积分读出电路包括复位控制开关一及复位控制开关二,复位控制开关一与复位控制开关二并联,复位控制开关一的控制端及复位控制开关二的控制端分别作为该积分读出电路的两个复位端,一个复位端与数字化电路的输出端连接,另一个复位端用于接受外部复位控制信号的控制。进一步的,所述积分读出电路为电容跨阻负反馈型读出电路或源随型读出电路或自积分读出电路或直接注入读出电路或缓冲直接注入读出电路,所述积分读出电路包括积分电容。具体的,所述积分读出电路包括运算放大器、积分电容、固定偏置电压输入端、复位控制开关一及复位控制开关二,所述运算放大器的正相输入端与固定偏置电压输入端连接,反相输入端与探测电路的输出端连接,积分电容的一端与运算放大器的输出端连接,另一端与运算放大器的反相输入端连接,复位控制开关一及复位控制开关二分别与积分电容并联,运算放大器的输出端作为积分读出电路的输出端。再进一步的,所述复位控制开关一及复位控制开关二为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。具体的,当反向补偿电路的输出端与探测电路的输出端连接后与积分读出电路的输入端连接时,所述反向补偿电路还包括一个非门、至少两个控制开关及至少两个与门,每一个与门与非弱光补偿电流源或一个弱光补偿电流源一一对应,且与一个控制开关一一对应,与非弱光补偿电流源对应的与门的一个输入端通过非门与数字化电路的输出端连接,其余每一个与门的一个输入端都直接与数字化电路的输出端连接,每一个与门的另一个输入端都与外部控制信号输入端连接,每一个与门的输出端都与对其对应的控制开关的控制端连接,非弱光补偿电流源及所有弱光补偿电流源的输出端分别通过与其对应的控制开关后连接在一起作为反向补偿电路的输出端。再进一本文档来自技高网
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高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法

【技术保护点】
高分辨率大动态范围数字化读出装置,包括探测电路、积分读出电路、数字化电路及总线输出电路,所述探测电路的输出端与积分读出电路的输入端连接,积分读出电路的输出端与数字化电路的输入端连接,数字化电路的输出端与总线输出电路连接,其特征在于,还包括反向补偿电路及外部控制信号输入端,所述反向补偿电路包括输入端、输出端、一个非弱光补偿电流源及至少一个弱光补偿电流源,所述反向补偿电路的输入端与数字化电路的输出端连接,数字化电路的输出端还与探测电路的复位端连接,所述积分读出电路具有两个复位端,分别能够完成积分读出电路的复位,所述数字化电路的输出端还与积分读出电路的任意一个复位端连接,外部控制信号输入端分别与数字化电路及反向补偿电路连接;所述探测电路用于转换光信号为电信号输出给积分读出电路,同时根据其复位端接收信号进行复位控制;所述积分读出电路用于对探测电路输入的电信号进行积分读出,读出的信号输出给数字化电路,同时根据其任意一个复位端的接收信号进行复位控制;所述数字化电路用于将积分读出电路读出的信号转换为数字化信号输出,并分别比较该读出的信号是否为强光信号及弱光信号,当判断是否为强光信号时,根据结果向与其连接的积分读出电路的复位端输出复位信号,且与外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制探测电路的复位,当判断是否为弱光信号时,若为弱光信号,与通过外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制反向补偿电路的对应弱光补偿电流源进行补偿,若为非弱光信号,与通过外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制反向补偿电路的非弱光补偿电流源进行补偿;所述反向补偿电路的输出端与探测电路的输出端连接后与积分读出电路的输入端连接,或数字化电路还包括固定偏置电压输入端及补偿控制开关,固定偏置电压输入端通过补偿控制开关后与数字化电路的其余部分连接,反向补偿电路的输出端和补偿控制开关与数字化电路的其余部分连接的那一端连接,该补偿控制开关的控制端与积分读出电路中未与数字化电路连接的复位端受同样的外部复位控制信号控制。...

【技术特征摘要】
1.高分辨率大动态范围数字化读出装置,包括探测电路、积分读出电路、数字化电路及总线输出电路,所述探测电路的输出端与积分读出电路的输入端连接,积分读出电路的输出端与数字化电路的输入端连接,数字化电路的输出端与总线输出电路连接,其特征在于,还包括反向补偿电路及外部控制信号输入端,所述反向补偿电路包括输入端、输出端、一个非弱光补偿电流源及至少一个弱光补偿电流源,所述反向补偿电路的输入端与数字化电路的输出端连接,数字化电路的输出端还与探测电路的复位端连接,所述积分读出电路具有两个复位端,分别能够完成积分读出电路的复位,所述数字化电路的输出端还与积分读出电路的任意一个复位端连接,外部控制信号输入端分别与数字化电路及反向补偿电路连接;所述探测电路用于转换光信号为电信号输出给积分读出电路,同时根据其复位端接收信号进行复位控制;所述积分读出电路用于对探测电路输入的电信号进行积分读出,读出的信号输出给数字化电路,同时根据其任意一个复位端的接收信号进行复位控制;所述数字化电路用于将积分读出电路读出的信号转换为数字化信号输出,并分别比较该读出的信号是否为强光信号及弱光信号,当判断是否为强光信号时,根据结果向与其连接的积分读出电路的复位端输出复位信号,且与外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制探测电路的复位,当判断是否为弱光信号时,若为弱光信号,与通过外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制反向补偿电路的对应弱光补偿电流源进行补偿,若为非弱光信号,与通过外部控制信号输入端输入的外部控制信号一起控制反向补偿电路的非弱光补偿电流源进行补偿;所述反向补偿电路的输出端与探测电路的输出端连接后与积分读出电路的输入端连接,或数字化电路还包括固定偏置电压输入端及补偿控制开关,固定偏置电压输入端通过补偿控制开关后与数字化电路的其余部分连接,反向补偿电路的输出端和补偿控制开关与数字化电路的其余部分连接的那一端连接,该补偿控制开关的控制端与积分读出电路中未与数字化电路连接的复位端受同样的外部复位控制信号控制。2.根据权利要求1所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,所述积分读出电路包括复位控制开关一及复位控制开关二,复位控制开关一与复位控制开关二并联,复位控制开关一的控制端及复位控制开关二的控制端分别作为该积分读出电路的两个复位端,一个复位端与数字化电路的输出端连接,另一个复位端用于接受外部复位控制信号的控制。3.根据权利要求2所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,所述积分读出电路为电容跨阻负反馈型读出电路或源随型读出电路或自积分读出电路或直接注入读出电路或缓冲直接注入读出电路,所述积分读出电路包括积分电容。4.根据权利要求3所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,所述积分读出电路包括运算放大器、积分电容、固定偏置电压输入端、复位控制开关一及复位控制开关二,所述运算放大器的正相输入端与固定偏置电压输入端连接,反相输入端与探测电路的输出端连接,积分电容的一端与运算放大器的输出端连接,另一端与运算放大器的反相输入端连接,复位控制开关一及复位控制开关二分别与积分电容并联,运算放大器的输出端作为积分读出电路的输出端。5.根据权利要求4所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,所述复位控制开关一及复位控制开关二为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。6.根据权利要求2或3或4或5所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,当反向补偿电路的输出端与探测电路的输出端连接后与积分读出电路的输入端连接时,所述反向补偿电路还包括一个非门、至少两个控制开关及至少两个与门,每一个与门与非弱光补偿电流源或一个弱光补偿电流源一一对应,且与一个控制开关一一对应,与非弱光补偿电流源对应的与门的一个输入端通过非门与数字化电路的输出端连接,其余每一个与门的一个输入端都直接与数字化电路的输出端连接,每一个与门的另一个输入端都与外部控制信号输入端连接,每一个与门的输出端都与对其对应的控制开关的控制端连接,非弱光补偿电流源及所有弱光补偿电流源的输出端分别通过与其对应的控制开关后连接在一起作为反向补偿电路的输出端。7.根据权利要求6所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,所述数字化电路包括外部清零信号输入端、与非门、强光控制开关、常规控制开关、强光比较电压输入端、固定偏置电压输入端、强光计数器、常规计数器、强光比较器、常规比较器、强光锁存器、至少一个弱光比较器、至少一个弱光比较电压输入端、至少一个弱光锁存器及至少一个弱光控制开关,所述一个弱光比较器分别与一个弱光比较电压输入端及一个弱光锁存器一一对应,强光比较器的正相输入端、常规比较器的正相输入端及所有弱光比较器的负相输入端连接后作为该数字化电路的输入端与积分读出电路的输出端连接,强光比较电压输入端与强光比较器的反相输入端连接,强光比较器的输出端通过强光控制开关后与积分读出电路的一个复位端连接,且与强光计数器的输入端连接,强光计数器的输出端分别与强光锁存器的输入端及总线输出电路连接,固定偏置电压输入端与常规比较器的反相输入端连接,常规比较器的输出端通过常规控制开关后与常规计数器的输入端连接,常规计数器的输出端与总线输出电路连接,每一个弱光比较器的正相输入端都和与其对应的弱光比较电压输入端连接,其输出端都和与其对应的弱光锁存器的输入端连接,强光锁存器的输出端还和与非门的一个输入端连接,与非门的另一个输入端与外部控制信号输入端连接,与非门的输出端与探测电路的复位端连接,一个弱光锁存器与一个弱光补偿电流源一一对应,每一个弱光锁存器的输出端都作为数字化电路的输出端分别和与其对应的弱光补偿电流源对应的与门的一个输入端一一对应连接,且各弱光补偿电流源中,至少其输出电流值最小的一个弱光补偿电流源对应的弱光锁存器的输出端作为数字化电路的输出端通过非门与非弱光补偿电流源对应的与门的一个输入端连接;所述外部清零信号输入端用于接受外部复位控制信号的控制,分别与强光比较器的清零端、常规比较器的清零端、各弱光比较器的清零端、强光计数器的清零端、常规计数器的清零端、强光锁存器的清零端及各弱光锁存器的清零端连接;所述强光控制开关及所有弱光控制开关分别受不同的外部开关控制信号控制,常规控制开关受外部控制信号控制;所述常规计数器的时钟端用于输入计数时钟脉冲。8.根据权利要求7所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,总线输出电路包括强光预比较计数总线、数字化比较计数总线、强光判断总线及弱光判断总线,所述强光锁存器的输出端与强光判断总线连接,所有弱光锁存器的输出端都与弱光判断总线连接,强光计数器的输出端与强光预比较计数总线连接,常规计数器的输出端与数字化比较计数总线连接。9.根据权利要求2或3或4或5所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,当数字化电路还包括常规比较电压输入端及补偿控制开关,常规比较电压输入端通过补偿控制开关后与数字化电路的其余部分连接,反向补偿电路的输出端和补偿控制开关与数字化电路的其余部分连接的那一端连接,该补偿控制开关的控制端与积分读出电路中未与数字化电路连接的复位端受同样的外部复位控制信号控制时;所述反向补偿电路还包括非门、电容、至少两个控制开关及至少两个与门,每一个与门与非弱光补偿电流源或一个弱光补偿电流源一一对应,且与一个控制开关一一对应,与非弱光补偿电流源对应的与门的一个输入端通过非门与数字化电路的输出端连接,其余每一个与门的一个输入端都直接与数字化电路的输出端连接,每一个与门的另一个输入端都与外部控制信号输入端连接,每一个与门的输出端都与对其对应的控制开关的控制端连接,非弱光补偿电流源及所有弱光补偿电流源的输出端分别通过与其对应的控制开关后连接在一起作为反向补偿电路的输出端,该输出端通过电容接地。10.根据权利要求9所述高分辨率大动态范围数字化读出装置,其特征在于,所述数字化电路包括外部清零信号输入端、补偿控制开关、与非门、强光控制开关、常规控制开关、强光比较电压输入端、固定偏置电压输入端、强光计数器、常规计数器、强光比较器、常规比较器、强光锁存器、至少一个弱光比较器、至少一个弱光比较电压输...

【专利技术属性】
技术研发人员:王向展陈同少吴强于奇
申请(专利权)人:电子科技大学
类型:发明
国别省市:四川,51

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