CN104539857A - 光电流读出电路及自适应光强成像阵列电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子技术。本发明解决了现有光强检测和增益自动调整方法不准确且速度慢的问题，提供了一种光电流读出电路及自适应光强成像阵列电路及其控制方法，其技术方案可概括为：光电流读出电路，由增益可调读出电路、积分电容重置信号输入端、光强检测模块、光强检测结果读出开关模块、积分电容控制端及光强检测结果输出总线组成，其中，增益可调读出电路包括可调积分电容模块，光强检测模块包括积分电压比较信号输入端、至少一个预存比较模块、比预存比较模块数量少一个的延时单元以及与预存比较模块数量相对应的光强检测结果读出开关模块。本发明的有益效果是，能够实现快速、准确的光强检测，适用于光电流读出电路及光强成像阵列电路。

Description

光电流读出电路及自适应光强成像阵列电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及微电子技术，特别涉及微电子技术中的成像系统。

背景技术

焦平面成像阵列因成本低、集成度高而在科研、军事和消费电子等领域应用广泛，成像阵列的动态范围是指在一定信噪比条件下，阵列所能探测到的最高光强与最低光强之比。成像阵列一般将光电探测器产生的光电流信号在积分电容上进行积分，然后以电压的形式输出，像素输出电压与输入光电流的比值代表该像素的增益。强光照射下光电流很大，积分电压容易饱和，提高探测范围的上限要求积分速度更慢一些；而弱光照射下光电流很小，积分电压会低至无法识别，降低探测范围的下限要求积分速度更快一些。这种抗饱和能力与灵敏度间的矛盾极大地限制了成像阵列的动态范围。

动态范围增强技术主要基于像素增益调整，即在弱光照射时增加像素增益以提高灵敏度，在强光照射下降低像素增益以避免像素饱和。常用的像素增益调整方法有两种：调整积分时间和调整积分电容。前者是在弱光照射时延长积分时间，在强光照射时缩短积分时间；后者是根据小电容积分速度比大电容快这一特点，在弱光照射时降低积分电容的电容值，在强光照射时提高积分电容的电容值。

无论使用何种动态范围增强技术，都必须先检测出成像阵列所承受的光照强度。传统的光强检测方法是在积分完成之后通过比较积分电压或其模数转换结果来判断光照强弱。传统检测方法存在以下缺点：1)在芯片内进行的传统光强检测技术类似于模数转换，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，而且高精度检测往往要求比较电路具有很高的精度，否则比较过程会因为被比较信号太弱而无法进行；2)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，阵列帧速会因此降低；3)以自动曝光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，所以在调整增益时只能用逐步调整的方式尝试寻找最佳调整，无法实现一步到位的精确调整。

发明内容

本发明的目的是要克服目前光强检测和增益自动调整方法不准确且速度慢的缺点，提供一种光电流读出电路及自适应光强成像阵列电路及其控制方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，光电流读出电路，包括增益可调读出电路、积分电容重置信号输入端、光强检测模块和光强检测结果读出开关模块，所述增益可调读出电路包括可调积分电容模块，其特征在于，还包括积分电容控制端及光强检测结果输出总线，所述光强检测模块包括积分电压比较信号输入端、至少一个预存比较模块、比预存比较模块数量少一个的延时单元以及与预存比较模块数量相对应的光强检测结果读出开关模块，所有延时单元以串联形式组成延时线，延时线的输入与积分电压比较信号输入端连接，所述预存比较模块包括清零端、输入端、时钟端以及输出端，所有预存比较模块的清零端都与积分电容重置信号输入端连接，所有预存比较模块的输入端都与可调电容模块的电位随光电流积分变化的一端连接，一个预存比较模块的时钟端与积分电压比较信号输入端直接连接，其余预存比较模块的时钟端分别与延时线中每一个延时单元的输出端连接，每一个预存比较模块的输出端都通过一个与其对应的光强检测结果读出开关模块和光强检测结果输出总线中的一条位线连接。

具体的，所述可调积分电容模块由一个积分电容与一个栅控变容管并联组成，栅控变容管的栅极作为可调电容模块的积分电容控制端；或由两个积分电容和一个控制开关组成，所述控制开关与其中一个积分电容串联后再与另一个积分电容并联，该控制开关作为可调电容模块的积分电容控制端。

具体的，所述预存比较模块为带清零功能的D触发器，D触发器的清零端、输入端、时钟端和输出端分别作为预存比较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端；或为带清零和使能端的锁存比较器模块，锁存比较器的清零端、输入端、使能端和输出端分别作为预存比较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端。

具体的，所述延时单元为缓冲器或触发器。

具体的，所述光强检测结果读出开关模块由开关组成，开关数目取决于读出光强检测结果所用的阵列扫描方式，逐行扫描时光强检测结果读出开关模块为一个行选开关，逐个扫描时光强检测结果开关模块由一个行选开关和一个列选开关串联组成。

具体的，所述光强检测结果输出总线是数字并行总线，其位数等于一个像素内预存比较模块的个数，光强检测结果输出总线的数目取决于读出光强检测结果所用的阵列扫描方式，逐行扫描阵列时每一列像素共享一条光强检测结果输出总线，光强检测结果输出总线的数目等于像素阵列的列数；逐个扫描时整个阵列所有像素共享一条光强检测结果输出总线。

自适应光强成像阵列电路，包括成像阵列电路本体，所述成像阵列电路本体包括像素阵列、控制信号产生电路和光强检测结果比较电路，所述像素阵列的读出电路采用上述的光电流读出电路，所述光强检测结果比较电路包括一个并行数据选择器、两个并行数据分配器、一个数值比较器及一个存储器，并行数据选择器、并行数据分配器、数值比较器以及存储器的位数与一个像素内的预存比较模块的个数相等；

所述并行数据选择器的输入数目与光强检测结果输出总线的数目相等，每个输入与每条光强检测结果输出总线一一对应连接，输出与并行数据分配器一的输入连接；

所述并行数据分配器的输出数目为2，两个并行数据分配器分别为并行数据分配器一及并行数据分配器二，并行数据分配器一的输出分别与存储器输入端以及数值比较器的A输入端连接，数据分配控制端与数值比较器A>B输出端连接，并行数据分配器二的输入与存储器输出端连接，输出分别与数值比较器的B输入端以及控制信号产生电路的比较反馈端连接，数据分配控制端与控制信号产生电路的比较控制端连接；

所述控制信号产生电路用于产生阵列电路所需的所有控制信号，包括光电流读出电路的偏置电压、积分电容重置信号、积分电压读出信号、积分电容控制信号、积分电压比较信号、积分电压和光强检测信号读出所需的行扫描、列扫描信号以及光强检测结果比较模块的比较反馈信号，还包括比较控制端和比较反馈端，控制信号产生电路产生的列扫描信号通过比较控制端控制光强检测结果的比较按像素顺序逐个进行，光强检测结果比较电路的最终比较结果通过比较反馈端输入控制信号产生电路，决定积分电容控制信号的产生。

具体的，所述光强检测结果比较电路在用于逐个扫描光强检测结果时，不需要并行数据选择器，光强检测结果输出总线直接连接并行数据分配器一的输入，控制信号产生电路产生的列扫描信号直接控制每个像素内光强检测读出开关模块内的列选开关。

自适应光强成像阵列电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求7所述的自适应光强成像阵列电路，包括以下步骤：

步骤1、光电探测器产生光电流信号在积分电容模块上进行积分，所述积分电容模块为可调电容模块；

步骤2、在不同积分时间点将积分电压与同一参考电压进行比较，在光电流积分完成之前检测出像素光强，并将检测结果存储在每个像素的预存比较模块中；

步骤3、在读出积分电压的同时将光强检测结果读出至光强检测结果比较电路进行比较，筛选出代表最高光强的检测结果并反馈到控制信号产生电路；

步骤4、在像素下一个积分周期的重置阶段，控制信号产生电路根据上一个积分周期的最高光强筛选结果产生与之相适应的积分电容控制信号，调整可调电容模块的积分电容值，所述积分电容控制信号为控制栅控变容管容值的栅极电压或控制开关开合的电压脉冲。

本发明的有益效果是，在本发明方案中，通过上述光电流读出电路及自适应光强成像阵列电路及其控制方法，能够实现快速、准确的光强检测，利用检测结果调整可调电容模块的控制电压，解决了读出电路灵敏度与抗饱和能力间的矛盾，提高了光电流读出电路的动态范围。

附图说明

图1是不同强度光照下积分电压上升速度的比较图。

图2为传统的电容跨阻放大器型(Capacitive TransImpedance Amplifier,CTIA)读出电路结构图。

图3为本发明实施例中基于CTIA设计的光电流读出电路结构图。

图4为逐行扫描读出光强检测结果的成像阵列结构图。

图5为图4所示成像阵列电路的工作时序图。

图6为本发明第二实施例的光电流读出电路结构图。

图7为本发明第三实施例的光电流读出电路结构图。

图8为本发明实施例中光强检测方法精度为1位时的光电流读出电路结构图。

图9为本发明实施例中光强检测方法精度为n位时的光电流读出电路结构图。

图10为本发明实施例中通过并联电容增强动态范围的光电流读出电路结构图。

图11为逐个扫描读出光强检测结果时的光电流读出电路结构图。

图12为逐个扫描读出光强检测结果的成像阵列结构图。

图13为传统的源随读出电路读出电路的结构图。

图14为本发明实施例中应用于源随读出电路时的读出电路结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述的光电流读出电路，包括增益可调读出电路、积分电容控制端、积分电容重置信号输入端、光强检测模块、光强检测结果读出开关模块及光强检测结果输出总线，其中，增益可调读出电路包括可调积分电容模块，光强检测模块包括积分电压比较信号输入端、至少一个预存比较模块、比预存比较模块数量少一个的延时单元以及与预存比较模块数量相对应的光强检测结果读出开关模块，所有延时单元以串联形式组成延时线，延时线的输入与积分电压比较信号输入端连接，预存比较模块包括清零端、输入端、时钟端以及输出端，所有预存比较模块的清零端都与积分电容重置信号输入端连接，所有预存比较模块的输入端都与可调电容模块的电位随光电流积分变化的一端连接，一个预存比较模块的时钟端与积分电压比较信号输入端直接连接，其余预存比较模块的时钟端分别与延时线中每一个延时单元的输出端连接，每一个预存比较模块的输出端都通过一个与其对应的光强检测结果读出开关模块和光强检测结果输出总线中的一条位线连接。

本发明的自适应光强成像阵列电路，包括成像阵列电路本体，该成像阵列电路本体中包括像素阵列、控制信号产生电路和光强检测结果比较电路，像素阵列的读出电路采用上述的光电流读出电路，光强检测结果比较电路包括一个并行数据选择器、两个并行数据分配器、一个数值比较器及一个存储器，并行数据选择器、并行数据分配器、数值比较器以及存储器的位数与一个像素内的预存比较模块的个数相等，其中，并行数据选择器的输入数目与光强检测结果输出总线的数目相等，每个输入与每条光强检测结果输出总线一一对应连接，输出与并行数据分配器一的输入连接；并行数据分配器的输出数目为2，两个并行数据分配器分别为并行数据分配器一及并行数据分配器二，并行数据分配器一的输出分别与存储器输入端以及数值比较器的A输入端连接，数据分配控制端与数值比较器A>B输出端连接，并行数据分配器二的输入与存储器输出端连接，输出分别与数值比较器的B输入端以及控制信号产生电路的比较反馈端连接，数据分配控制端与控制信号产生电路的比较控制端连接；控制信号产生电路用于产生阵列电路所需的所有控制信号，包括光电流读出电路的偏置电压、积分电容重置信号、积分电压读出信号、积分电容控制信号、积分电压比较信号、积分电压和光强检测信号读出所需的行扫描、列扫描信号以及光强检测结果比较模块的比较反馈信号，还包括比较控制端和比较反馈端，控制信号产生电路产生的列扫描信号通过比较控制端控制光强检测结果的比较按像素顺序逐个进行，光强检测结果比较电路的最终比较结果通过比较反馈端输入控制信号产生电路，决定积分电容控制信号的产生。

本发明的自适应光强成像阵列电路的控制方法，其应用于上述自适应光强成像阵列电路，首先光电探测器产生光电流信号在积分电容模块上进行积分，所述积分电容模块为可调电容模块，再在不同积分时间点将积分电压与同一参考电压进行比较，在光电流积分完成之前检测出像素光强，并将检测结果存储在每个像素的预存比较模块中，在读出积分电压的同时将光强检测结果读出至光强检测结果比较电路进行比较，筛选出代表最高光强的检测结果并反馈到控制信号产生电路，最后在像素下一个积分周期的重置阶段，控制信号产生电路根据上一个积分周期的最高光强筛选结果产生与之相适应的积分电容控制信号，调整可调电容模块的积分电容值，该积分电容控制信号为控制栅控变容管容值的栅极电压或控制开关开合的电压脉冲。

实施例

本例的光电流读出电路，包括增益可调读出电路、积分电容控制端、积分电容重置信号输入端、光强检测模块、光强检测结果读出开关模块及光强检测结果输出总线，其中，增益可调读出电路包括可调积分电容模块，光强检测模块包括积分电压比较信号输入端、至少一个预存比较模块、比预存比较模块数量少一个的延时单元以及与预存比较模块数量相对应的光强检测结果读出开关模块，所有延时单元以串联形式组成延时线，延时线的输入与积分电压比较信号输入端连接，预存比较模块包括清零端、输入端、时钟端以及输出端，所有预存比较模块的清零端都与积分电容重置信号输入端连接，所有预存比较模块的输入端都与可调电容模块的电位随光电流积分变化的一端连接，一个预存比较模块的时钟端与积分电压比较信号输入端直接连接，其余预存比较模块的时钟端分别与延时线中每一个延时单元的输出端连接，每一个预存比较模块的输出端都通过一个与其对应的光强检测结果读出开关模块和光强检测结果输出总线中的一条位线连接。

具体的，可调积分电容模块可以由一个积分电容与一个栅控变容管并联组成，栅控变容管的栅极作为可调电容模块的积分电容控制端；也可以由两个积分电容和一个控制开关组成，该控制开关与其中一个积分电容串联后再与另一个积分电容并联，该控制开关作为可调电容模块的积分电容控制端。

具体的，预存比较模块可以为带清零功能的D触发器，D触发器的清零端、输入端、时钟端和输出端分别作为预存比较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端；也可以为带清零和使能端的锁存比较器模块，锁存比较器的清零端、输入端、使能端和输出端分别作为预存比较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端。

具体的，延时单元可以为缓冲器或触发器等。

具体的，光强检测结果读出开关模块可以由开关组成，开关数目取决于读出光强检测结果所用的阵列扫描方式，逐行扫描时光强检测结果读出开关模块为一个行选开关，逐个扫描时光强检测结果开关模块由一个行选开关和一个列选开关串联组成。

具体的，光强检测结果输出总线优选为数字并行总线，其位数等于一个像素内预存比较模块的个数。光强检测结果输出总线的数目取决于读出光强检测结果所用的阵列扫描方式，逐行扫描阵列时每一列像素共享一条光强检测结果输出总线，光强检测结果输出总线的数目等于像素阵列的列数；逐个扫描时整个阵列所有像素共享一条光强检测结果输出总线。

自适应光强成像阵列电路，包括成像阵列电路本体，该成像阵列电路本体中包括像素阵列、控制信号产生电路和光强检测结果比较电路，像素阵列的读出电路采用上述的光电流读出电路，光强检测结果比较电路包括一个并行数据选择器、两个并行数据分配器、一个数值比较器及一个存储器，并行数据选择器、并行数据分配器、数值比较器以及存储器的位数与一个像素内的预存比较模块的个数相等，其中，并行数据选择器的输入数目与光强检测结果输出总线的数目相等，每个输入与每条光强检测结果输出总线一一对应连接，输出与并行数据分配器一的输入连接；并行数据分配器的输出数目为2，两个并行数据分配器分别为并行数据分配器一及并行数据分配器二，并行数据分配器一的输出分别与存储器输入端以及数值比较器的A输入端连接，数据分配控制端与数值比较器A>B输出端连接，并行数据分配器二的输入与存储器输出端连接，输出分别与数值比较器的B输入端以及控制信号产生电路的比较反馈端连接，数据分配控制端与控制信号产生电路的比较控制端连接；控制信号产生电路用于产生阵列电路所需的所有控制信号，包括光电流读出电路的偏置电压、积分电容重置信号、积分电压读出信号、积分电容控制信号、积分电压比较信号、积分电压和光强检测信号读出所需的行扫描、列扫描信号以及光强检测结果比较模块的比较反馈信号，还包括比较控制端和比较反馈端，控制信号产生电路产生的列扫描信号通过比较控制端控制光强检测结果的比较按像素顺序逐个进行，光强检测结果比较电路的最终比较结果通过比较反馈端输入控制信号产生电路，决定积分电容控制信号的产生。

具体的，所述光强检测结果比较电路在用于逐个扫描光强检测结果时，不需要并行数据选择器，光强检测结果输出总线直接连接并行数据分配器一的输入，控制信号产生电路产生的列扫描信号直接控制每个像素内光强检测读出开关模块内的列选开关。

自适应光强成像阵列电路的控制方法，其特征在于，应用于上述的自适应光强成像阵列电路，包括以下步骤：

步骤1、光电探测器产生光电流信号在积分电容模块上进行积分，所述积分电容模块为可调电容模块；

步骤2、在不同积分时间点将积分电压与同一参考电压进行比较，在光电流积分完成之前检测出像素光强，并将检测结果存储在每个像素的预存比较模块中；

步骤3、在读出积分电压的同时将光强检测结果读出至光强检测结果比较电路进行比较，筛选出代表最高光强的检测结果；

步骤4、在像素下一个积分周期的重置阶段，控制信号产生电路根据上一个积分周期的最高光强筛选结果产生与之相适应的积分电容控制信号，调整可调电容模块的积分电容值。所述积分电容控制信号为控制栅控变容管容值的栅极电压或控制开关开合的电压脉冲。

具体与现有的光强检测对比进行举例如下：

传统的光强检测方法是在积分完成之后通过比较读出电路的积分电压或其模数转换结果来判断光照强弱。传统检测方法存在以下缺点：1)在芯片内进行的传统光强检测技术类似于模数转换，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，而且高精度检测往往要求比较电路具有很高的精度，否则比较过程会因为被比较信号太弱而无法进行；2)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，阵列帧速会因此降低；3)以自动曝光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，所以在调整增益时只能用逐步调整的方式尝试寻找最佳调整，无法实现一步到位的精确调整。

图1给出了强光和弱光照射下积分电压上升速度的比较示意图，图中直线A代表强光照射下的积分电压，直线B代表弱光照射下的积分电压。在给定的光强照射下，读出电路中积分电压的上升速度是确定的，而且不同光照强度下积分电压的上升速度不同。由于光电探测器产生的光电流与光照强度成正比，所以当光电流在积分电容上积分时，强光照射下积分电压的上升速度会比弱光下快。参见图1，经过相同的积分时间T_detect后，强光照射对应的积分电压V_int1要比弱光对应的V_int2高，所以在积分全部完成前就可以通过在相同时间点比较积分电压来快速判断光照的强弱。

本例具体的光强检测方法如下：

1.选取一个参考电压V_ref和一个参考光照强度L_{v_ref}，根据光电探测器的光伏特性和积分电容容值，可以计算出光照强度为L_{v_ref}时积分电压到达V_ref所需的积分时间t_ref。当一束光强未知的光照射在成像阵列上时，在光电流积分进行t_{ref_1}时间后比较积分电压V_int与参考电压V_ref，就可以判断出该入射光光强与参考光强的强弱关系。积分电压比较结果与对应的光强强弱关系如下表1所示：

表1 积分电压比较结果与对应的光强强弱关系表

2.若选取一个参考电压V_ref和两个参考光照强度L_{v_ref_1}和L_{v_ref_2}(L_{v_ref_1}>L_{v_ref_2})，根据光电探测器的光伏特性和积分电容容值，可以计算出光照强度为L_{v_ref_1}和L_{v_ref_2}时积分电压到达V_ref所需的积分时间t_{ref_1}和t_{ref_2}(显然t_{ref_1}<t_{ref_2})。当一束光强未知的光照射在成像阵列上时，在光电流积分进行t_{ref_1}时间后比较积分电压V_int与参考积分电压V_ref，如果V_int≥V_ref，说明待测光强很大(L_{v_ref_1}≤L_v)，此时应该降低像素增益以避免输出饱和；如果V_int<V_ref，说明待测光强L_v<L_{v_ref_1}，但待测光强L_v与参考光强L_{v_ref_2}的强弱关系还不清楚，电路是否需要调整还有待继续观察。在光电流积分进行t_{ref_2}时间后，再次比较积分电压V_int与参考积分电压V_ref，如果V_int≥V_ref，说明待测光强L_v强度中等(L_{v_ref_2}≤L_v<L_{v_ref_1})，此时像素保持中等增益即可；如果V_int<V_ref，说明待测光强L_v很小(L_v<L_{v_ref_2})，此时电路应该提高增益以增加探测灵敏度。积分电压比较结果、对应的光强强弱关系以及相应的电路调整方案如下表2所示：

表2 单参考光照强度时积分电压比较结果对应表

3.若选取N个(2<N<10)参考光照强度L_{v_ref_1},L_{v_ref_2},L_{v_ref_2},…,L_{v_ref_n-1},L_{v_ref_n}(L_{v_ref_1}>L_{v_ref_2}>…>L_{v_ref_n-1}>L_{v_ref_n})，就可以实现更高精度的光强检测与电路调整。积分电压比较结果、对应的光强强弱关系以及相应的电路调整方案如下表3所示：

表3 多参考光照强度时积分电压比较结果对应表

综上所述，本发明提出的光强检测方法选取参考光照强度可将探测器探测范围划分为多个区间，在不同积分时间点将积分电压与同一参考电压进行比较，准确判断待测光强所属的区间，为提高读出电路动态范围提供依据。

与传统光强检测方法相比，本发明光强检测方法的优点在于：①本发明提出的光强检测方法采用了时域转换技术，通过在不同积分时间点将积分电压与同一个参考电压比较得到光强检测结果，不需要生成多个参考电压；②光强检测过程与光电流积分过程同时进行，并先于积分过程完成，检测结果的读出和比较与像素读出也是同时进行的，没有改变读出电路原有的时序安排，不会影响阵列帧速；③检测结果具有很高精度，能更准确地调整像素增益。④光强检测过程完全在芯片内完成，无需外部系统辅助处理。

逐行扫描是指成像阵列在行扫描信号控制下，每次读出一行像素，每一列像素共享一条输出总线；逐列扫描是指成像阵列在列扫描信号控制下，每次读出一列像素，每一行像素共享一条输出总线。行扫描读出与列扫描读出的像素结构、系统架构、工作原理完全相同，只是读出时的扫描方向不同。以下陈述以逐行扫描成像阵列为例，其结果同样适用于逐列扫描成像阵列。

图2所示是传统的电容跨阻放大器型(Capacitive TransImpedance Amplifier,CTIA)读出电路的结构示意图。CTIA是一种广泛使用的高性能读出电路，能利用运放的虚短特性为光电探测器提供稳定的偏置电压V_com。在每个积分周期的初始阶段，积分电容重置信号Rst有效，重置开关闭合，积分电容C_int上的电压被重置为初始值。重置结束后，重置开关断开，光电流在积分电容C_int上积分。积分结束后积分电压读出信号Sel有效，读出开关闭合，积分电压经由总线读出。

图3为本发明实施例中基于CTIA设计的光电流读出电路，具有光强检测和像素增益自动调整的功能。该电路与传统CTIA读出电路的区别在于：

1.积分电容为一个固定电容和一个栅控变容管的并联。栅控变容管是一种三端口变容管，比普通变容管多一个栅极。栅控变容管的栅极电压V_ctrl由控制信号产生电路根据光强检测结果生成，改变V_ctrl可以改变栅控变容管的容值。因为光电流积分速度与积分电容的容值成反比，所以调整CTIA读出电路总积分电容容值可以实现改变像素增益的目的。光照很弱时应该使用小容值积分电容以提高灵敏度；光照很强时应该使用大容值积分电容以避免像素饱和；如果光照强度中等，应该使用中等容值的积分电容以获得灵敏度与抗饱和能力间的最佳折衷。

2.CTIA读出电路的输出端(即积分电容的电位变化端)并接了两个特殊的D触发器。与普通D触发器不同的是，触发电平是一个模拟电压V_ref。本发明使用这两个D触发器进行电压比较并储存比较结果，当触发器时钟端有效时，如果积分电压V_int高于触发电平V_ref，触发器输出为1，否则输出为0。每个D触发器在一个积分周期内执行一次比较，所有D触发器的输出以温度码的形式组成光强检测结果，第一次比较的结果是温度码最高位，最后一次比较的结果是温度码的最低位。

3.所有触发器的清零端CLR都与CTIA的积分电容重置信号Rst连接。

4.触发器D₁的时钟端Clk接积分电压比较信号clkd，clkd信号的周期与像素的积分周期相同，像素积分进行t_{ref_1}时间后clkd信号有效，触发器D₁对积分电压V_int与参考电压V_ref进行比较。

5.触发器D₀的时钟端通过一个用缓冲器实现的延时单元与积分电压比较信号clkd连接，这个延时单元使积分电压比较信号clkd产生一个时长为t_{ref_2}-t_{ref_1}的延迟，所以触发器D₀的时钟控制端会在像素积分进行t_{ref_2}时间后变为有效，触发器D₀对积分电压V_int与参考电压V_ref进行比较。

6.输出总线有两根，一根是输出积分电压的模拟信号总线，与传统读出电路一致；另一根是宽度为2位的数字信号总线，传输由两个D触发器的输出Q₁和Q₀组成的2位光强检测结果，在逐行扫描模式下，每一列像素共享一条数字信号总线。

7.每个触发器输出都通过一个与其对应的行选开关和光强检测结果输出总线中的一条位线连接，一个像素内的行选开关都由同一行扫描信号RS控制。

图4为本发明实施例中采用图3所示电路的自适应光强成像阵列电路，用于传输和处理积分电压的信号处理电路、数据选择器以及输出缓冲放大器与传统成像阵列一样。控制信号产生电路用于产生前述读出电路偏置电压V_com和V_ctrl、积分电容重置信号Rst、积分电压读出信号Sel、积分电压比较信号clkd、行扫描信号RS、列扫描信号CS以及比较反馈信号FBC。与传统成像阵列相比，图4所示成像阵列电路增加了一个k位n输入并行数据选择器DM、两个k位2输出并行数据分配器DD₁和DD₂、一个k位数值比较器Comp及一个k位存储器Mem作为光强检测信号比较模块，其中n代表像素阵列的列数，k代表光强检测结果的位数(本例中为2)；控制信号产生电路里增加了栅控变容管控制电压V_ctrl的产生电路。

图5是图3所示读出电路的工作时序图，下面结合时序图阐述读出电路的工作过程：

1.在逐行扫描成像阵列中，像素光强检测和增益调整是以行为单位进行的，即Rst、Sel、RS和clkd信号是行共享的，相邻行的Rst、Sel、RS和clkd信号有延时，该延时是为了避免相邻行的读出重叠，延时值的选取应保证各行的积分时间相等且RS信号不重叠；增益控制电压V_ctrl也是行共享的，其值由该行像素在上一个积分周期所受的最大光强决定。CS信号是列共享的，当某一行的RS有效时，各列的CS信号依次有效，从而实现对该行所有像素光强检测信号的按列依次读取。

2.当第一行像素的积分电容重置信号1^st Rst有效时，重置第一行像素，即第一行所有像素的积分电压重置为初始值、两个D触发器的输出均重置为零，对应图5中的P₁阶段。重置阶段P₁结束后光电流开始在积分电容上积分，对应图5中的P₂阶段。

3.当第一行像素的光电流积分进行t_{ref_1}时间后，第一行像素的积分电压比较信号1^st clkd有效，第一行所有像素的触发器D₁开始工作，对积分电压进行第一次比较，如果积分电压高于触发电平V_ref，触发器D₁输出为1，否则输出为0，对应图5中的P₃阶段。在缓冲器的延时作用下，第一行像素继续光电流积分t_{ref_2}-t_{ref_1}时间后触发器D₀开始工作，对积分电压进行第二次比较，如果积分电压高于触发电平V_ref，触发器D₀输出为1，否则输出为0，对应图5中的P₄阶段。每个D触发器在一个积分周期内执行一次比较，所有D触发器的输出以温度码的形式组成光强检测结果，第一次比较的结果是温度码最高位，第二次比较的结果是温度码的最低位。触发器输出状态与光强的对应关系如表4所示：

表4 触发器输出状态与光强的对应关系表

4.第一行像素在光电流积分阶段P₂结束后进入读出阶段P₅，像素的积分电压和光强检测结果会被分别读出，积分电压的读出过程与传统成像阵列一样，这里仅讨论光强检测结果的读出过程。在读出阶段P₅内，第一行行选信号1^st RS有效，第一行像素的光强检测结果经由光强检测结果输出总线输出至光强检测结果比较电路中的并行数据选择器DM。在第一行行选信号1^st RS有效的同时，列选信号1^st CS、2^nd CS、...、n^th CS依次有效，并行数据选择器DM按列依次将第一行像素的光强检测结果输出至并行数据分配器DD₁。并行数据分配器DD₁的控制端连接着数值比较器Comp的A>B输出端，用于决定是否储存当前输入的光强检测结果。在比较一个像素的光强检测结果时，先将数值比较器Comp的A>B输出端置为低电平，然后并行数据分配器DD₁将当前读出像素的光强检测结果分配至数值比较器Comp的A输入端，如果当前光强检测结果的数值大于保存在存储器Mem中的预存光强检测结果，那么数值比较器Comp的A>B输出会变为高电平，从而控制并行数据分配器DD₁将当前读出像素的光强检测结果保存在存储器Mem中，否则电路不作任何改变。当第一行所有像素的光强检测结果都被比较过之后，存储器Mem中所保存的(S₁S₀)值就是该行所有像素的(Q₁Q₀)_max。并行数据分配器DD₁的控制端连接着控制信号产生电路的比较反馈端，用于决定是否输出保存在存储器中的光强检测结果。第一行像素光强检测结果的比较全部完成后，比较反馈信号FBC变为有效，存储器Mem将该保存在其中的(S₁S₀)值输出至控制信号产生电路产生栅控变容管的控制电压V_ctrl，然后存储器Mem的状态重置为S₁S₀＝00。

5.为了降低整个成像阵列的噪声和信号处理难度，(Q₁Q₀)_max对积分电容的反馈调节是在一个积分周期完成之后进行的，即根据第i个积分周期内检测到的(Q₁Q₀)_max值所产生的控制电压V_ctrl会在第一行像素进入第i+1积分周期的重置阶段时反馈回该行像素、改变积分电容值。如果(Q₁Q₀)_max为(00)，说明在上个积分周期内第一行像素所受光照很弱，此时应该使用小容值积分电容以提高灵敏度；如果(Q₁Q₀)_max为(10)，说明所受光照很强，此时应该使用大容值积分电容以避免像素饱和；如果(Q₁Q₀)_max为(01)，说明所受光照为中等强度，此时应该使用中等容值的积分电容以获得灵敏度与抗饱和能力间的最佳折衷。(Q₁Q₀)_max与光强、电路调整的对应关系如下表5所示：

表5 (Q₁Q₀)_max与光强、电路调整的对应关系表

6.第二行像素的工作原理与第一行像素相同，区别在于第二行像素的积分电容重置信号2^nd Rst、积分电压比较信号2^nd clkd、行选信号2^nd RS与第一行像素相比有一定延时，该延时是为了避免相邻行的读出阶段重叠，延时值的选取应保证相邻行的积分时间相等且RS信号不重叠。

综上所述，本发明提出的读出电路使用触发电平为模拟值的D触发器比较积分电压并储存比较结果，将像素所受光照的强度用2位温度码表示。依次比较一行所有像素的光强检测结果，可以筛选出该行像素所受最强光照的强度。将筛选结果输出至控制信号产生电路，产生相应的控制电压V_ctrl，通过V_ctrl控制栅控变容管的容值、调整像素增益。

本发明所述光强检测技术中的延时单元也可以用其他电路结构实现，图6是本发明第二实施例的光电流读出电路的结构示意图，其用触发器作为延时单元，触发器的输入端接积分电压比较信号clkd，时钟端clk接时钟信号clk_delay,clk_delay由控制信号产生电路产生，其时钟周期为相邻两次光强检测的时间间隔。

本发明所述光强检测技术中的电压比较也可以用其他电路结构实现，图7是本发明第三实施例的光电流读出电路的结构示意图，其用带清零和使能端的锁存比较器模块实现电压比较，锁存比较器模块包含一个1位锁存比较器(LC₁或LC₂)、一个用于重置锁存比较器状态的清零端CLR和一个控制是否进行比较的使能端EN，锁存比较器用于将积分电压V_int与参考电压V_ref进行比较，并储存比较结果，积分电压比较信号clkd信号通过使能端EN决定何时进行比较。

本发明所述光强检测方法的检测精度可以通过增加/减少触发器及与其对应的延时单元、光强检测结果读出开关模块的数目以及光强检测结果输出总线、并行数据选择器DM、并行数据分配器DD₁和DD₂、存储器Mem以及数值比较器Comp的位数进行调整，以下是采用本发明光强检测方法和增益调整方法的几种不同精度的读出电路：

1.图8为本发明实施例中光强检测方法精度为1位时的光电流读出电路结构示意图。1位精度的光强检测需要选取1个参考电压V_ref和1个参考光强L_{v_ref}(记L_{v_ref}光强下积分电压达到参考电压V_ref所需的时间为t_ref)，电路中需要1个前述D触发器和1个光强检测结果行选开关，光强检测结果输出总线、并行数据选择器DM、并行数据分配器DD₁和DD₂、存储器Mem以及数值比较器Comp的位数为1位。积分电压比较信号clkd在积分进行t_ref时间后有效，不需要延时单元。此时触发器输出为1位温度码，触发器输出Q与光强、电路调整的对应关系如下表6所示：

表6 触发器输出为1位温度码，触发器输出Q与光强、电路调整的对应关系表

2.图9为本发明实施例中光强检测方法精度为n位时的光电流读出电路结构示意图。4位精度的光强检测需要选取1个参考电压V_ref和n个参考光强L_{v_ref_1}、L_{v_ref_2}、…、L_{v_ref_n-1}和L_{v_ref_n}(L_{v_ref_1}>L_{v_ref_2}>…>L_{v_ref_n-1}>L_{v_ref_n}，记参考光强下积分电压达到V_ref所需的时间分别为t_{ref_1}、t_{ref_2}、…、t_{ref_n-1}和t_{ref_n})，电路中需要n个前述D触发器和n个光强检测结果行选开关，光强检测结果输出总线、并行数据选择器DM、并行数据分配器DD₁和DD₂、存储器Mem以及数值比较器Comp的位数为n位。积分电压比较信号clkd在积分进行t_{ref_1}时间后有效。延时单元需要n-1个，它们的延时分别为t_{ref_2}-t_{ref_1}的、t_{ref_3}-t_{ref_2}-t_{ref_1}、…、t_{ref_n-1}-t_{ref_n-2}-…-t_{ref_2}-t_{ref_1}和t_{ref_n}-t_{ref_n-1}-…-t_{ref_2}-t_{ref_1}。此时所有触发器输出组成n位温度码，触发器输出Q_nQ_n-1…Q₁Q₀与光强、电路调整的对应关系如下表7所示：

表7 触发器输出Q_nQ_n-1…Q₁Q₀与光强、电路调整的对应关系表

本发明所述光强检测方法也适用于其他动态范围增强技术，以下是两个例子：

1)图10为本发明实施例中通过并联电容增强动态范围的光电流读出电路结构示意图，积分电容控制信号Ctrl有效时，积分电容C_int2被接入电路，读出电路的总积分电容值为C_int1+C_int2；否则积分电容C_int2被开路，读出电路的总积分电容值为C_int1，积分电容控制信号Ctrl根据本发明所述光强检测方法的检测结果产生。

2)本发明的光强检测方法也可以用于调整积分时间，光照强时缩短积分时间，光照弱时增加积分时间，同样能实现增强动态范围的目的。

本发明也可以逐个扫描读出光强检测结果。逐个扫描是指在行扫描信号与列扫描信号的控制下逐个读出每个像素的光强检测结果，图11为逐个扫描读出光强检测结果时的光电流读出电路，与图3所示逐行扫描读出电路相比，唯一的区别在于像素内的光强检测读出开关模块由一个行选开关与一个列选开关串联组成，同一像素内的行选开关都由同一行扫描信号RS控制、列选开关都由同一列扫描信号CS控制。图12为采用图11所示读出电路的自适应光强成像阵列电路结构示意图，该电路的工作时序与图4所示逐行扫描成像阵列电路一样，但电路结构有所不同：整个成像阵列的所有像素共享同一条光强检测结果输出总线，该总线直接与光强检测结果比较模块中并行数据分配器DD₁的输入端连接，不需要图4中的并行数据选择器DM。

本发明也可以应用于其他形式的读出电路。只要是使用积分电容对光电流进行积分的读出电路，都可以采用前述光强检测与动态范围调整方法。图13为传统的源随读出电路(以下简称SF)的结构示意图。源随读出电路使用光电探测器的寄生电容C_pd作为积分电容。在每个积分周期的初始阶段，积分电容重置信号Rst有效时，重置开关闭合，寄生电容C_pd上的电压被重置。重置结束后，重置开关断开，光电流在寄生电容C_pd上积分。积分结束后积分电压读出信号Sel有效，读出开关闭合，积分电压经源极跟随器M_SF和总线读出。图14为本发明实施例中应用于SF时的读出电路的结构示意图。

综上所述，本发明能快速、准确地检测光照强度，并根据最大光强自动调整像素增益，从而提高成像系统的动态范围。

以上实例仅为本发明的优选例子，本发明的使用并不局限于这些实例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.光电流读出电路，包括增益可调读出电路、积分电容重置信号输入端、光强检测模块和光强检测结果读出开关模块，所述增益可调读出电路包括可调积分电容模块，其特征在于，还包括积分电容控制端及光强检测结果输出总线，所述光强检测模块包括积分电压比较信号输入端、至少一个预存比较模块、比预存比较模块数量少一个的延时单元以及与预存比较模块数量相对应的光强检测结果读出开关模块，所有延时单元以串联形式组成延时线，延时线的输入与积分电压比较信号输入端连接，所述预存比较模块包括清零端、输入端、时钟端以及输出端，所有预存比较模块的清零端都与积分电容重置信号输入端连接，所有预存比较模块的输入端都与可调电容模块的电位随光电流积分变化的一端连接，一个预存比较模块的时钟端与积分电压比较信号输入端直接连接，其余预存比较模块的时钟端分别与延时线中每一个延时单元的输出端连接，每一个预存比较模块的输出端都通过一个与其对应的光强检测结果读出开关模块和光强检测结果输出总线中的一条位线连接。

2.如权利要求1所述的光电流读出电路，其特征在于，所述可调积分电容模块由一个积分电容与一个栅控变容管并联组成，栅控变容管的栅极作为可调电容模块的积分电容控制端；或由两个积分电容和一个控制开关组成，所述控制开关与其中一个积分电容串联后再与另一个积分电容并联，该控制开关作为可调电容模块的积分电容控制端。

3.如权利要求1所述的光电流读出电路，其特征在于，所述预存比较模块为带清零功能的D触发器，D触发器的清零端、输入端、时钟端和输出端分别作为预存比较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端；或为带清零和使能端的锁存比较器模块，锁存比较器的清零端、输入端、使能端和输出端分别作为预存比较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端。

4.如权利要求1所述的光电流读出电路，其特征在于，所述延时单元为缓冲器或触发器。

5.如权利要求1所述的光电流读出电路，其特征在于，所述光强检测结果读出开关模块由开关组成，开关数目取决于读出光强检测结果所用的阵列扫描方式，逐行扫描时光强检测结果读出开关模块为一个行选开关，逐个扫描时光强检测结果开关模块由一个行选开关和一个列选开关串联组成。

6.如权利要求1所述的光电流读出电路，其特征在于，所述光强检测结果输出总线是数字并行总线，其位数等于一个像素内预存比较模块的个数，光强检测结果输出总线的数目取决于读出光强检测结果所用的阵列扫描方式，逐行扫描阵列时每一列像素共享一条光强检测结果输出总线，光强检测结果输出总线的数目等于像素阵列的列数；逐个扫描时整个阵列所有像素共享一条光强检测结果输出总线。

7.自适应光强成像阵列电路，包括成像阵列电路本体，所述成像阵列电路本体包括像素阵列、控制信号产生电路和光强检测结果比较电路，其特征在于，所述像素阵列的读出电路采用如权利要求1或2或3或4或5或6所述的光电流读出电路，所述光强检测结果比较电路包括一个并行数据选择器、两个并行数据分配器、一个数值比较器及一个存储器，并行数据选择器、并行数据分配器、数值比较器以及存储器的位数与一个像素内的预存比较模块的个数相等；

所述并行数据选择器的输入数目与光强检测结果输出总线的数目相等，每个输入与每条光强检测结果输出总线一一对应连接，输出与并行数据分配器一的输入连接；

所述并行数据分配器的输出数目为2，两个并行数据分配器分别为并行数据分配器一及并行数据分配器二，并行数据分配器一的输出分别与存储器输入端以及数值比较器的A输入端连接，数据分配控制端与数值比较器A>B输出端连接，并行数据分配器二的输入与存储器输出端连接，输出分别与数值比较器的B输入端以及控制信号产生电路的比较反馈端连接，数据分配控制端与控制信号产生电路的比较控制端连接；

所述控制信号产生电路用于产生阵列电路所需的所有控制信号，包括光电流读出电路的偏置电压、积分电容重置信号、积分电压读出信号、积分电容控制信号、积分电压比较信号、积分电压和光强检测信号读出所需的行扫描、列扫描信号以及光强检测结果比较模块的比较反馈信号，还包括比较控制端和比较反馈端，控制信号产生电路产生的列扫描信号通过比较控制端控制光强检测结果的比较按像素顺序逐个进行，光强检测结果比较电路的最终比较结果通过比较反馈端输入控制信号产生电路，决定积分电容控制信号的产生。

8.如权利要求7所述的自适应光强成像阵列电路，其特征在于，所述光强检测结果比较电路在用于逐个扫描光强检测结果时，不需要并行数据选择器，光强检测结果输出总线直接连接并行数据分配器一的输入，控制信号产生电路产生的列扫描信号直接控制每个像素内光强检测读出开关模块内的列选开关。

9.自适应光强成像阵列电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求7所述的自适应光强成像阵列电路，包括以下步骤：

步骤1、光电探测器产生光电流信号在积分电容模块上进行积分，所述积分电容模块为可调电容模块；

步骤2、在不同积分时间点将积分电压与同一参考电压进行比较，在光电流积分完成之前检测出像素光强，并将检测结果存储在每个像素的预存比较模块中；

步骤3、在读出积分电压的同时将光强检测结果读出至光强检测结果比较电路进行比较，筛选出代表最高光强的检测结果并反馈到控制信号产生电路；

步骤4、在像素下一个积分周期的重置阶段，控制信号产生电路根据上一个积分周期的最高光强筛选结果产生与之相适应的积分电容控制信号，调整可调电容模块的积分电容值，所述积分电容控制信号为控制栅控变容管容值的栅极电压或控制开关开合的电压脉冲。