CN101990756A - 用于在星象跟踪仪器件中使用的有源像素传感器设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括成像器芯片(10)和逻辑电路(14)的、用于在星象跟踪仪器件中使用的有源像素传感器(APS)设备，所述成像器芯片(10)包括作为光学像素操作的光电二极管的阵列(13)。该逻辑电路配置为用于根据在预定积分时间(T)内的光线量读出像素信号并且在处理像素信号的预定积分时间(T)终止时复位光学像素并且输出经修改的信号并且用于在积分时间(T)内执行像素信号的非破坏性读出。为了从星体信号贡献区别单粒子翻转(SEU)贡献信号，提出了将逻辑电路(14)进一步配置为探测在积分时间内在像素信号中间断是否已经发生，并且根据这个探测的结果修改该信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在根据权利要求1前序的星象跟踪仪器件中使用的有源像素传感器设备。
背景技术
已知星象跟踪仪图像受到以点和条纹出现的破坏图像完整性的、所谓的单粒子翻转(SEU)的损坏。单粒子翻转是由于太阳耀斑和其它宇宙辐射引起的并且在接近太阳的任务中是特别麻烦的。
近来，已经在星象跟踪仪设备中采用了有源像素传感器(APS)类型的成像器芯片。而且，已经提出在这个应用中将另外的功能性与APS传感器集成。
专门地设计用于星象跟踪仪应用的这种图像传感器的一个实例是由Cypress半导体公司(Cypress Semiconductor Corp.)与ESA合作研制的、所谓的低成本低质量(LCMS)传感器。这种类型的APS设备设有能够执行成像器芯片的光学像素的破坏性读出和像素的非破坏性读出这两种读出的片上逻辑电路。
像素的核心是由光电二极管积聚受到照射的光子产生的电荷形成的。破坏性读出对像素的光电二极管放电，而非破坏性读出在于测量门电压依赖于在光电二极管中积聚的电荷的晶体管的透射率。结果，晶体管用作像素信号的放大器。当前，非破坏性读出用于执行用于减小图像信号中的固定图形噪声(FPN)的相关复式取样。
进而，美国专利US7,145,188B2公开了在CMOS类型的成像片上提供片上逻辑电路。如果在区域中的一个或者多个像素是饱和的，其提议执行像素增益的局部适应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够执行单粒子翻转的动态处理的有源像素传感器设备，并且特别地，使得能够动态地拒绝这些单粒子翻转从而降低在星象跟踪仪设备中的图像处理的复杂度。
本发明始于一种用于包括成像器芯片的、在星象跟踪仪器件中使用的有源像素传感器设备。该成像器芯片包括作为光学像素操作的光电二极管的阵列。而且，该设备包括逻辑电路，该逻辑电路被配置用于根据在预定积分时间内照射的光线量读出像素信号并且用于在该预定积分时间终止时复位光学像素。而且，逻辑电路能够处理光学像素的输出并且输出经修改的信号。此外，逻辑电路被配置用于在积分时间内执行像素信号的非破坏性读出。特别地，可以两次或者几次地复位并且然后采样并且读出像素而在之间不存在另外的复位。
本发明的中心点之一是配置逻辑电路从而它可以探测在积分时间内在像素信号中间断是否已经发生并且根据这个探测的结果修改信号。该思想是基于以下事实，即：永久光源例如星体的光线产生像素信号的连续变化，例如在光电二极管中积聚的电荷的线性增加，而单粒子翻转的特征在于形式为在积分时间内信号的意外的突变的间断。间断的探测因此允许信号的识别受到SEU和特别地连续光源的贡献区别于SEU的贡献的、对于信号的不同贡献的区别的影响。为了移除SEU的贡献，可以将其从信号减去。在进一步的实施例中，当信号的修改包括移除连续部分而不是移除非连续部分时，该设备可以被用作照明传感器。
如果逻辑电路是设于成像器片上的片上逻辑电路，则能够实现适于在卫星中使用的特别小的设备。
而且，提出了逻辑电路进一步配置为在积分时间内周期性地执行非破坏性读出。这使得能够在离散的点组中进行信号的准连续采样。可以通过比较在随后的非破坏性读出的结果与预定阀值之间的差异而探测间断。如果差异超过阀值，则在最后两个非破坏性读出过程之间，SEU应该已经发生。
在一个优选实施例中，有源像素的增益被如此设定，使得在设备的视场中最明亮的星体产生刚好低于像素的饱和数值的像素信号。该阀值应该基本对应于饱和数值除以在一个集成周期内执行的非破坏性读出的数目。
在本发明的一个特别简单的实施例中，如果逻辑电路配置为通过反复地向基值增加增量而确定输出数值，则可以消除间断的影响，其中该基值可以例如是零。如果这个差异不足预定阀值，则该逻辑电路然后可以使用在前确定的、在相同集成周期中在随后的非破坏性读出的结果之间的差值作为增量，并且如果在前确定的差异超过预定阀值，则使用外推差值作为增量。
如果逻辑电路包括用于存储至少一个差值的存储装置，该逻辑电路可以例如通过只是拷贝所存储的差值或者通过使用在前确定的差值执行某个平均化过程而基于所存储的差值确定外推差值。如果通过平均化特定数目的、所存储的差值确定外推差值，如果实际存储的、在前确定的差值的数目不足认为足以执行平均化的、预定的差值的最小数目，则逻辑电路可以输出默认值。
可以通过图像对象的窗口读出功能性补充逻辑电路的功能性，其中仅仅读出在覆盖推测星体位置的特定窗口内的像素从而降低信号处理的复杂度。而且，逻辑电路可以在读出时执行相关复式取样从而避免或者减小固定图形噪声。此外，逻辑电路可以从像素信号减去背景强级。
在上述实施例的每一个中，在它们能够被打开和关闭地切换的意义上，有源信号处理功能性可以是可选的。为了允许这种选择，有源像素传感器设备可以包括用于启用或者停用逻辑电路的这些信号处理功能中的至少一个的装置。未用功能的停用可以引起能量消耗降低。
将在应该结合附图阅读的、本发明特殊实施例的以下说明中解释本发明进一步的重要特征及其优点。本发明不限于在下面描述的实施例。技术人员将会容易地发现如在所附权利要求中限定的本发明的表征特征的其它组合和次级组合。
附图说明
图1示出根据本发明的、具有在适于在星象跟踪仪设备中使用的在芯片组件中的成像器芯片的有源像素传感器器件。
图2是图1的有源像素传感器成像器芯片的芯片体系的总体概观。
图3是根据图1和2的有源像素传感器成像器芯片的系统级图表。
图4是根据图1到3的成像器芯片的三晶体管像素的晶体管级图表。
图5是图4中的三晶体管像素的功能等效电路。
图6是带有根据现有技术的成像器芯片带取的多个单粒子翻转的图片。
图7是示出包括单粒子翻转信号贡献的成像器芯片的像素信号的时间演化的图表。
图8示出用于根据单粒子翻转探测的结果修改像素信号的数字域处理流。
具体实施方式
图1是包括CMOS类型的成像器芯片10的、用于在星象跟踪仪中使用的有源像素传感器器件。成像器芯片10包括作为光学像素的光电二极管的阵列13。成像器芯片10被包括于陶瓷JLCC84包装中并且具有15.5mm的x尺寸和16.2mm的y尺寸。
图2是根据图1的成像器芯片10的芯片体系的总体视图。除了作为光学像素操作并且以CMOS类型的512·512三晶体管像素的像素阵列13布置的光电二极管的阵列，成像器芯片10包括逻辑电路14包括样本及保存和列放大器16、行选择和复位驱动器18、x寻址移位寄存器20和y寻址移位寄存器22和12位模数转换器24(ADC)。而且，逻辑电路14包括读出排序器26、带有存储器单元30的相关复式取样和处理单元28、窗口排序器32和用于存储窗口排序器32的程序的SRAM存储器单元34。最终，成像器芯片10设有并行数据接口36和例如用于以“太空线”数据格式通信的较高水平日期接口38。
成像器芯片10的上述单元被布置于公共基板40上。窗口排序器32是用于管理成像器芯片10的窗口处理装置，该装置由提供星体的推测位置的外部IP控制。逻辑电路14通过采用行选择和预设驱动器18、样本及保存和列放大器16和移位寄存器20、22而在围绕这些推测位置的窗口类型区域中执行像素的读出。
从像素阵列13中的光学像素读出的信号使用放大器42而被放大，被模数转换器24转换，并且被读出排序器26读出。从像素接收的信号依赖于在预定积分时间T内照射的光线量。积分时间T被定义为在由复位驱动器18执行的随后的复位过程之间的时期。
逻辑电路14的相关复式取样处理单元28配置为在积分时间T内执行像素信号的非破坏性读出，其中不在读出过程之间执行复位地将像素信号读出两次。
根据本发明，逻辑电路14被进一步配置用于探测在积分时间T内在像素信号中间断是否已经发生。根据图2的实施例，这个配置是利用相关复式取样和处理单元28的适当的程序实现的。而且，逻辑电路14的处理单元28被配置用于如在下面详细描述地根据这个探测的结果修改像素信号。
图3是根据本发明的成像器芯片10的系统级图表。在图3的左手侧上的框符描述在成像器芯片10中执行的功能，即排序功能42、窗口功能44、处理功能46和接口功能48。成像器芯片10能够被大致上细分为传感器部分50、模数转换器部分52和包括逻辑电路14的基本部分，特别地处理单元28的逻辑电路部分54。经由数据接口36、38，成像器芯片10与运行应用程序58的处理器56通信。
成像器芯片10允许以10位精度读出像素信号并且芯片模数转换器24的增益和偏移是能够动态复位的。逻辑电路14能够以5Hertz的帧频读出全部像素阵列从而每像素允许200微秒的积分时间T。在窗口读出模式中，传感器能够以10Hertz的速率读出具有20·20像素的20个视窗，从而每像素允许100微秒的积分时间T。成像器芯片10产生所有要求的定时信号和脉冲以经由包括片下振荡器的、来自使用者的简单输入操作和控制像素阵列13。
传感器支持两种操作模式，特别地，全帧读出和上述窗口读出。在全帧读出中，能够由使用者规定曝光和曝光开始时间并且成像器芯片10使用卷帘百页从像素阵列13读出每一个像素的信号。在窗口读出模式中，可以连同达20个可以被选择为10·10、15·15或者20·20个像素的非交迭窗口一起地由使用者规定曝光开始时间。
成像器芯片10和逻辑电路14的功能性具有模块化设计从而它易于经由引导插脚(bootstrap pin)或者经由使用者命令禁用任何未被要求的功能性。禁用任何功能性引起成像器芯片10的功耗相应地降低。
成像器芯片10被如此构造，使得在25℃下在零辐射剂量下的暗电流小于2500个电子每像素每秒。在全辐射剂量下，在25℃下暗电流小于5000个电子每像素每秒。在相邻像素之间的串扰小于5％并且在寿命内是不变的。固定图形噪声(FPN)和传感器复位噪声(KTC)小于75个电子每像素并且像素响应非均匀度小于全部像素阵列的1.5％并且在任何5·5像素子阵列之上小于0.25％。成像器芯片10具有大于40％的敏感度，敏感度被定义为填充因数乘以量子效率。成像器芯片10的光谱范围覆盖从0.4到0.9微米的波长。
图4和5详细地示出成像器芯片10的像素阵列13的像素。
图4是像素的晶体管-水平图表。每一个像素包括三个晶体管60、62、64和光电二极管66。第一晶体管60用作在电源和光电二极管66之间的开关69。光电二极管66等价于带有光制电流源的电容器68(图5)。第二晶体管62能够被视为缓冲在用于连接到外界的光电二极管66/电容器68阴极处的电压的源输出放大器70(图5)。第三晶体管64是将以上放大器70的输出连接到相应于像素阵列13的列总线的输出信号总线74的开关72。
两个电容器(未示出)位于每一列像素下面，以采样选定像素的复位和信号水平。在非破坏性读出中，使用两个采样电容器。两个电容器在采样之后包含相同信号。读出序列与在破坏性读出中相同但是仅仅使用来自信号采样电容器68的信号。来自像素的复位信号被忽略。
一个列放大器16坐于每一列像素下面以在到输出通道的样本及保存电容器上写入保持信号。在破坏性读出中，可以在输出放大器16中减去复位和信号水平以消除大部分的固定图形噪声。在非破坏性读出中，仅仅信号水平由输出放大器42使用。
当在具有高辐射剂量的环境中(例如在靠近太阳和/或经受太阳耀斑的卫星中)使用包括根据本发明的有源像素传感器器件的星象跟踪仪时，在光电二极管中吸收了高能粒子，从而引起像素信号间断。如果在光电二极管66中吸收了足够能量，则像素将被饱和并且将在像素阵列13的粒子冲击位置处发生白斑。这些白斑在下一图像中消失并且白斑的数目随着积分时间增加。这种现象被称作“单粒子翻转”(SEU)并且星象跟踪仪图像由于太阳耀斑而经常被SEU损坏。
图6示出包括多个SEU点和条纹75的典型星象跟踪仪图像的一个实例。根据现有技术，在图像的后处理过程中利用软件消除了SEU条纹。然而，后处理没有给出完好的消除并且可能变得非常复杂和耗时。
图7示出在积分时间T内像素信号的一个实例。在中间时间TS，辐射粒子在光电二极管66中吸收并且产生电荷载体雪崩，从而在像素信号中产生准连续的突然突变。注意不应该在窄的、数学意义上而是根据数字电路的典型时间分辨率理解表达“非连续”和表达“间断”。如果信号在小于总积分时间T的1或者2％的一小部分内大于信号振幅的10到20％地改变，则信号中的突然增加或者降低应该被分类成“非连续”。
图7示出如与暗电流74的贡献和源自所要观察的星体的目标信号76的贡献一起地从像素读出的总体信号72。而且，图7示出具有在TS处具有间断的阶跃函数(集成δ函数)的形式的SEU信号78的贡献。
本发明的中心思想之一是执行非破坏性读出从而探测间断并且能够通过在信号处理过程中适当地修改信号而消减或者在其它情形补偿SEU信号贡献78。
根据本发明的优选实施例，逻辑电路13配置为在积分时间T内在时间T1到T7反复地执行非破坏性读出。处理单元28然后确定在随后的非破坏性读出的结果之间的差异，例如在在T1和T2处的读出之间的差异D1和在T5和T6处的读出之间的差异D5。差异D1、D5然后被与预定的阀值相比较，该阀值例如对应于像素信号的最大振幅除以在集成周期T内非破坏性读出数目之值的两倍。而且，逻辑电路13使用像素信号72在TS处在SEU之前的时间行为从而外推未扰动信号。如果在SEU之后像素饱和，则随在SEU之后的读出数值可以被忽略，而如果像素是非饱和的，则能够通过减去间断而修改读出。
在本发明的一个优选实施例中，逻辑电路13配置为通过反复地将增量增加到基值而确定输出信号，其中该基值可以为零。如果在差异D1不足阀值时在以前的步骤中没有探测到任何间断，例如，如在图7中的、在T1和T2之间的步骤中，则差异D1可以由增量使用。然而，如果差异超过预定阀值，如例如在这里探测到差异D5的、在图7中的、在T5和T6之间的步骤的情形中，则逻辑电路使用外推差值作为增量。
为了执行外推，逻辑电路13包括存储最后的很少几个差值的存储单元30。处理单元28使用所存储的差值来基于所存储的差值确定外推差值。在最简单的情形中，仅仅可以作为外推差值在存储单元30中存储最后的差值。基本上，这对应于作为在T5和T4处的非破坏性读出之间在差值D5和差值D4之间的差异近似图7中的间断的高度。
在进而改进的本发明实施例中，逻辑电路可以通过将在存储单元30中存储的并且在突变探测之前确定的两个或者更多差值平均化而确定外推差值。
然而，能够仅当未被SEU损坏的、至少预定最小数目的差值被存储于存储单元30中时才执行这个平均化过程。结果，则逻辑电路13和处理单元28可以配置为如果在前存储的、已被确定的差值的数目不足预定的最小数目从而平均化将是不可能的则输出默认值。
通过使用图4中的晶体管62确定光电二极管的门电压而执行在T1到T7处的非破坏性读出，晶体管62用作图5中的源输出放大器70。
用于外推信号的上述方法采用以在TS处的间断之前的差值的形式确定的像素信号的离散化梯度。
而且，通过为模数转换器42应用可调节偏压数值，可以从像素信号减去背景强级(例如图7中的暗电流贡献74)。
图8示出在处理单元28中执行的数字域处理流的一个实例。处理单元28从模数转换器ADC24接收像素信号水平并且从存储器单元30读出在相同集成间隔T中的来自以前的非破坏性读出的像素信号水平并且从实际像素信号水平减去以前的信号水平从而确定差值。差值被与从存储器单元30读出的阀值相比较。如果差异超过阀值，则废弃该差值，并且在以前的步骤中存储的差值被从存储器单元30读出并且被增加到输出数值。如果差值没有超过阀值，则逻辑电路推断在以前的步骤中没有任何SEU发生并且差值被增加到基值并且被存储于存储器单元30中以在以后的步骤中使用。如果从模数转换器24接收的像素信号水平示意像素是饱和的，则该过程即刻地跳到增加以前的差值的步骤。
Claims (15)
1.一种用于在星象跟踪仪器件中使用的有源像素传感器设备，包括成像器芯片(10)和逻辑电路(14)，所述成像器芯片(10)包括作为光学像素而操作的光电二极管的阵列(13)，所述逻辑电路(14)配置为：
-根据在预定积分积分时间(T)内照射的光线量读出像素信号并且在预定积分时间(T)终止时复位光学像素；
-处理像素信号并且输出经修改的信号；和
-在积分时间(T)内执行像素信号的非破坏性读出，
其特征在于
逻辑电路(14)进一步配置为：
-探测在所述积分时间内在像素信号中间断是否已经发生，并且用于
-根据这个探测的结果修改所述信号。
2.根据权利要求1所述的有源像素传感器器件，
其特征在于，逻辑电路(14)是设于所述成像器芯片(10)上的片上逻辑电路。
3.根据权利要求1或2所述的有源像素传感器器件，
其特征在于逻辑电路(14)进一步配置为
在积分时间(T)内周期性地执行非破坏性读出，
-确定在随后的非破坏性读出的结果之间的差异(D1，D5)，和
通过比较如此确定的差异(D1，D5)与预定阀值而探测间断。
4.根据权利要求3所述的有源像素传感器器件，
其特征在于逻辑电路(14)配置为
通过反复地将增量增加到基值而确定输出信号数值，如果差异低于所述预定阀值，则使用在前确定的、在随后的非破坏性读出的结果之间的差异作为所述增量，和
如果在前确定的差异超过所述预定阀值，则使用外推差值作为所述增量。
5.根据权利要求4所述的有源像素传感器器件，
其特征在于，逻辑电路(14)包括用于存储至少一个差值(D4)的存储装置(30)并且基于所存储的差值(D4)确定所述外推差值。
6.根据权利要求4或者5所述的有源像素传感器器件，
其特征在于，逻辑电路(14)配置为通过将在突变探测之前确定的至少两个差值平均化而确定所述外推差值。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的有源像素传感器器件，其特征在于，逻辑电路(14)配置为如果存储的在前确定的差值的数目不足预定的最小数目则输出经修改的信号的默认值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的有源像素传感器器件，其特征在于，所述光电二极管是CMOS类型的。
9.根据权利要求8所述的有源像素传感器器件，其特征在于，所述逻辑电路(14)配置为通过确定所述光电二极管的门电压而执行所述非破坏性读出。
10.根据前面权利要求之一的有源像素传感器器件，其特征在于，所述逻辑电路(14)配置为通过使用在突变之前确定的信号的梯度执行外推而修改所述信号。
11.根据前述权利要求中任一项所述的有源像素传感器器件，其特征在于，包括用于管理成像器芯片(10)的窗口读出的装置(32)。
12.根据前面权利要求之一的有源像素传感器，其特征在于逻辑电路(14)配置为在读出光电二极管的阵列(13)时执行相关复式取样。
13.根据前述权利要求中任一项所述的有源像素传感器，其特征在于，逻辑电路(14)配置为从像素信号中计算并且减去背景强级。
14.根据前述权利要求中任一项所述的有源像素传感器器件，其特征在于，包括用于启用或者停用逻辑电路的至少一个信号处理功能的装置(38)。
15.一种用于在包括成像器芯片(10)的、用于在星象跟踪仪器件中使用的有源像素传感器设备中的片上数据处理的方法，所述成像器芯片(10)包括作为光学像素操作的光电二极管的阵列(13)，所述方法包括以下步骤：
-根据在预定积分时间(T)内照射的光线量读出像素信号并且在预定积分时间(T)终止时复位所述光学像素；
-处理所述像素信号并且输出经修改的信号；和
-在积分时间(T)内执行像素信号的非破坏性读出，
其特征在于
进一步包括以下步骤：
-探测在所述积分时间内在像素信号中间断是否已经发生，和
-根据这个探测的结果修改所述信号。
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