CN102692275B - 具有多路输出功能的红外焦平面读出电路及其读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有多路输出功能的红外焦平面读出电路及其读出方法，包括行选择信号产生电路，列选择信号产生电路，多路输出逻辑控制电路，输出缓冲级。本发明的红外焦平面读出电路可以提供单路、双路和四路输出的输出模式选择。不同的输出模式对应不同的读出速率，可以满足不同场合的应用要求。

Description

具有多路输出功能的红外焦平面读出电路及其读出方法

技术领域

本发明涉及光电子技术及微电子技术领域，具体涉及一种具有多路输出功能的红外焦平面读出电路及其读出方法。

背景技术

目前红外成像技术已经广泛地应用于军事、工业、农业、医疗和科学研究等各个领域。红外焦平面阵列(IRFPA，Infrared FocalPlane Array)是红外成像系统的核心部件，一般由红外探测器阵列和读出电路(ROIC，Readout Integrated Circuit)两部分组成。红外探测器的作用是将红外辐射转换成电信号；读出电路的作用则完成像素信号的处理和读出，是红外探测器电信号到热像仪的重要传输中介，起着承上启下的作用，因此红外读出电路的性能直接影响IRFPA成像系统的性能。

随着技术的不断进步和成熟，ROIC的阵列规模也越来越大。近年来，其像素规模已从640×480扩展到2048×2048。阵列规模的扩大意味着输出一帧图像需要更多的像素信号。此外，不同的应用场合对输出帧速的要求也不同。例如：普通的民用场合，如小区监控，帧速达到十几、二十几帧每秒就可以满足需求；而在军事应用场合，比如红外制导，读出电路帧速需要达到几十甚至上百帧每秒。越来越大的阵列规模和更高的帧速要求对像素读出速率提出了更大的挑战。

目前研制的读出电路大多不具备多路输出功能，也就不具备调整读出帧速的功能。有的读出电路通过采用开窗口的方式来提高窗口部分图像的帧率，但是对整个视场而言，这种方法不能提高完整图像的帧速率，不适于应用在既要保证高速率又要保证信息完整度的场合。

因此，亟需研制一种新的读出电路。采用这种电路，不但可以按正常速率输出完整图像，还可以通过多路输出的选择来调整完整图像的读出速率，获得更高的帧速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外焦平面读出电路，该读出电路具有多路输出功能，通过输出模式的选择可以实现读出速率的调整。

为此，本发明提供了一种读出电路，用于以不同的速率读出N行M列的红外焦平面阵列的信号，所述读出电路包括：行选择信号产生电路，用于产生N个行选信号ROW；列选择信号产生电路，用于产生M个列选信号COL；多路输出逻辑控制电路，用于载入所述读出电路外的主时钟信号和复位信号并产生相应的控制逻辑，实现不同的多路输出的输出模式选择；以及四个输出缓冲级，用于信号的缓冲输出。

其中，所述读出电路以一帧为工作周期重复，在所述工作周期内，所述多路输出逻辑控制电路控制所述行选择信号产生电路生成顺序有效的N个行选信号，在一个行周期内只有一个行选信号有效；然后在任意一个有效的行周期内，所述多路输出逻辑控制电路控制所述列选择信号产生电路依据所述多路输出逻辑控制电路产生的控制逻辑生成M个列选信号，在一个列周期内，同时能有一个或多个列选信号有效，分别对应不同的输出模式。

在单路输出模式下，一个列周期内仅有一个列选信号有效以仅读出一列，读出的信号仅通过一个输出缓冲级输出。

在双路输出模式下，一个列周期内仅有两个列选信号有效以仅读出两列，该两列间距为M/2，读出的信号通过两个输出缓冲级输出。

在四路输出模式下，一个列周期内仅有四个列选信号有效以仅读出四列，该四列之间相互间距为M/4，读出的信号通过四个输出缓冲级输出。

本发明还提供了一种方法，用于以不同的速率读出N行M列的红外焦平面阵列的信号，包括：行选择信号产生电路在多路输出逻辑控制电路控制下依据主时钟信号和复位信号产生顺序有效的N个行选信号；列选择信号产生电路在任意一个所述行选信号有效的行周期内，产生M个列选信号；其中，在任意一个所述列选信号有效的列周期内，同时能有一个或多个列选信号有效，分别对应不同的输出模式；依据有效的行选信号和列选信号通过输出缓冲级依次输出红外焦平面阵列的信号。

在单路输出模式下，一个列周期内仅有一个列选信号有效以仅读出一列，读出的信号仅通过一个输出缓冲级输出。

在双路输出模式下，一个列周期内仅有两个列选信号有效以仅读出两列，该两列间距为M/2，读出的信号通过两个输出缓冲级输出。

在四路输出模式下，一个列周期内仅有四个列选信号有效以仅读出四列，该四列之间相互间距为M/4，读出的信号通过四个输出缓冲级输出。

本发明的红外焦平面读出电路具有多路输出功能，不同输出模式对应不同读出速率。正常情况下，单路输出模式读出速率为每秒30帧，四路输出模式的读出速率可以达到每秒120帧，能满足不同场合的应用需求。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为本发明的红外焦平面读出电路的整体框图；

图2为图1所示读出电路每一帧的时序图；

图3为图1所示读出电路在单路输出时每一行的时序图；

图4为图1所示读出电路在双路输出时每一行的时序图；以及

图5为图1所示读出电路在四路输出时每一行的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种具有多路输出功能的红外焦平面读出电路。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种电路结构。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰电路结构的空间、次序或层级关系。

首先，参照图1，示出了本发明的红外焦平面读出电路的整体框图。依照本发明的具有多路输出功能的红外焦平面读出电路形成在N行M列(也即N×M个像素，具体地，本发明针对320X240的单元电路阵列(共240行320列))的红外焦平面阵列IRFPA周围，包括：行选择信号产生电路，用于产生行选择控制信号ROW；列选择信号产生电路，用于产生列选择控制信号COL；多路输出逻辑控制电路，用于载入所述红外焦平面读出电路之外的输出模式控制信号并产生相应的控制逻辑，实现单路、双路和四路输出的输出模式选择；四个输出缓冲级BUFFER，用于信号的不同模式下的缓冲输出，具体地，依据多路输出逻辑控制电路控制的开关矩阵而选择不同的输出缓冲级最终输出。读出电路的主时钟例如CLK、多路输出的控制信号例如复位信号RESET等少数几个信号需要从外部产生。

其中，所述读出电路以一帧为工作周期重复，帧的大小由图像输出的需要而定，具体而言，对于本发明的N×M像素的红外焦平面阵列而言，若要求帧速为L帧/秒，则工作周期为1/L秒，若每个阵列单元的读出时间为t秒，则t＝1/N×M×L，本发明中240行320列的IRFPA读出帧速为30帧/秒，因此每个阵列单元要求的读出时间为4.34×10^-7秒。在所述工作周期内，所述行选择信号产生电路生成顺序有效的N个行选信号，在一个行周期内只有一个行选信号有效，行周期Tr＝1/L×N，上述每一帧的时序如图2所示。在任何一个有效的行周期内，所述列选择信号产生电路依据所述多路输出逻辑控制电路产生的控制逻辑生成顺序有效的M个列选信号，在一个列周期内，可以有1个、2个或4个列选信号有效，分别对应单路、双路和四路输出模式。列周期Tc＝t＝1/N×M×L，也即红外焦平面阵列每个阵列单元读出所需的最短时间。在列周期t保持不变的前提下，双路输出的行周期Tr2变为单路输出的行周期Tr的1/2，四路输出的行周期Tr4变为单路输出行周期Tr的1/4；相应的，双路输出的帧频变为单路输出的2倍，四路输出的帧频变为单路输出的4倍，由此读出电路也就具有的不同的读出速率。

读出电路的工作时序具体为：

单路输出模式下，多路输出逻辑控制电路的复位信号RESET为高电平；复位结束后，行选控制信号ROW[1]有效，表示第一行被选中；与此同时，列选信号COL[1]有效，表示第一列被选中，对第一列信号进行采样保持以及缓冲输出；然后COL[2]、COL[3]、...COL[M]顺序有效，依次对每一列进行采样保持以及缓冲输出，直至完成一个行周期，单路输出时每一行的时序如图3所示。之后ROW[2]、ROW[3]、...ROW[N]顺序有效，重复之前所述的列选过程，完成一帧图像的选通输出。读出的信号经由多路输出控制逻辑控制的开关矩阵最终通过BUFFER1输出。

双路输出模式下，多路输出逻辑控制电路的复位信号RESET为高电平；复位结束后，行选控制信号ROW[1]有效，第1行被选中；与此同时，相距为M/2的两列被选中，例如列选信号COL[1]和COL[M/2+1]有效，第1列和第(M/2+1)被选中，对这两列同时进行采样保持以及缓冲输出；然后顺序有效的每组列选信号为(COL[2]，COL[M/2+2])、(COL[3]，COL[M/2+3])、…(COL[M/2]，COL[M])，每个列周期对两列进行采样保持和缓冲输出，直至完成一个行周期。双路输出时每一行的时序如图4所示，在列周期保持不变的前提下，由于每个列周期有两列同时进行采样保持和缓冲输出，双路输出的行周期变为单路输出的1/2，相应的，双路输出的帧频变为单路输出的2倍，因此双路输出模式下所耗费的输出时间是单路模式的一半，输出效率提高了一倍。之后ROW[2]、ROW[3]、...ROW[N]顺序有效，重复之前所述的列选过程，完成一帧图像的选通输出。读出的信号通过BUFFER1和BUFFER2输出。

四路输出模式下，多路输出逻辑控制电路的复位信号RESET为高电平；复位结束后，行选控制信号ROW[1]有效，第一行被选中；与此同时，相互间距为M/4的四列被选中，例如列选信号COL[1]、COL[M/4+1]、COL[M/2+1]、COL[3M/4+1]同时有效，对应的四列被选中，进行采样保持以及缓冲输出；然后顺序有效的每组列选信号为(COL[2]，COL[M/4+2]，COL[M/2+2]，COL[3M/4+2])、(COL[3]，COL[M/4+3]，COL[M/2+3]，COL[3M/4+3])、…(COL[M/4]，COL[M/2]，COL[3M/4]，COL[M])；每个列周期对四列进行采样保持和缓冲输出，直至完成一个行周期。四路输出时每一行的时序如图5所示，在列周期保持不变的前提下，由于每个列周期有四列同时进行采样保持和缓冲输出，四路输出的行周期变为单路输出的1/4，相应的，四路输出的帧频变为单路输出的4倍，因此四路输出模式下所耗费的输出时间是单路模式的1/4，输出效率提高为四倍。之后ROW[2]、ROW[3]、...ROW[N]顺序有效，重复之前所述的列选过程，完成一帧图像的选通输出。读出的信号通过四个BUFFER同时输出。

依照本发明的红外焦平面读出电路具有多路输出功能，不同输出模式对应不同读出速率。正常情况下，单路输出模式读出速率为每秒30帧，四路输出模式的读出速率可以达到每秒120帧，能满足不同场合的应用需求。

以上参照附图举出了单路、双路以及四路输出模式下的具体时序关系，本领域技术人员应当知晓的是，对于其他多路输出模式，可以相应修改控制逻辑而同理地实现。例如对于k路输出而言，可以在任意一行选信号ROW[i]有效时，使得k个列选信号同时有效，该k列相互间距为M/k，从而类似地实现通过k个输出缓冲级而最终k路输出。以上所述的多路输出时，为了控制逻辑实现方便以及电路布图对称性考虑，优选为等距间隔排布所选的列，但是对于某些特定需求，例如电路某些区域被其他模块占用或为了避免多条信号线集中分布造成信号串扰，可以在局部使得相邻的多条或者间隔不等距的多条列同时被选中。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对电路结构和具体构件做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或构件的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的电路结构和具体构件将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims (4)

1.一种读出电路，用于以不同的速率读出N行M列的红外焦平面阵列的信号，所述读出电路包括：

行选择信号产生电路，用于产生N个行选信号ROW；

列选择信号产生电路，用于产生M个列选信号COL；

多路输出逻辑控制电路，用于载入所述读出电路外的主时钟信号和复位信号并产生相应的控制逻辑，实现不同的多路输出的输出模式选择；以及

多个输出缓冲级，用于信号的缓冲输出；

其中，所述读出电路以一帧为工作周期重复，在所述工作周期内，所述多路输出逻辑控制电路控制所述行选择信号产生电路生成顺序有效的N个行选信号，在一个行周期内只有一个行选信号有效；然后在任意一个有效的行周期内，所述多路输出逻辑控制电路控制所述列选择信号产生电路依据所述多路输出逻辑控制电路产生的控制逻辑生成M个列选信号；其中，一个列周期内有k个列选信号有效以仅读出k列，读出的信号通过k个输出缓冲级输出，分别对应不同的输出模式；

其中，对于电路某些区域被其他模块占用或为了避免多条信号线集中分布造成信号串扰的特定需求，在局部使得相邻的或者间隔不等距的多条列同时被选中。

2.如权利要求1所述的读出电路，其中，k选自2、4之一。

3.一种读出电路的读出方法，用于以不同的速率读出N行M列的红外焦平面阵列的信号，包括：

行选择信号产生电路在多路输出逻辑控制电路控制下依据主时钟信号和复位信号产生顺序有效的N个行选信号；

列选择信号产生电路在任意一个所述行选信号有效的行周期内，产生M个列选信号；

其中，在任意一个所述列选信号有效的列周期内，一个列周期内有k个列选信号有效以仅读出k列，读出的信号通过k个输出缓冲级输出，分别对应不同的输出模式，并且对于电路某些区域被其他模块占用或为了避免多条信号线集中分布造成信号串扰的特定需求，在局部使得相邻的或者间隔不等距的多条列同时被选中；

依据有效的行选信号和列选信号通过输出缓冲级依次输出红外焦平面阵列的信号。

4.如权利要求3的读出电路的读出方法，其中，k选自2、4之一。