CN107613230B - 高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字化图像采集处理技术。本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术，特别涉及数字化图像采集处理技术。
背景技术
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，Huang L W,Hsieh C C,Chang W H,et al.A 1.8V readout integrated circuitwith adaptive transimpedance control amplifier for IR focal plane arrays[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，Cai J,Ran F,Yang H,et al.A CMOS Image Sensor with Self-Reset Circuit inActive Pixel[C]//Image and Signal Processing,2009.CISP'09.2nd InternationalCongress on.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。
发明内容
本发明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。
本发明解决其技术问题，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。
再进一步的，所述控制开关为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。
具体的，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。
再进一步的，所述强光锁存器及弱光锁存器均为1位锁存器。
具体的，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。
再进一步的，所述控制开关为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关。
具体的，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通过补偿控制开关后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。
再进一步的，所述强光锁存器及弱光锁存器均为1位锁存器。
具体的，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。
再进一步的，所述探测电路包括光电转换器件及探测控制开关，所述光电转换器件的输出端通过探测控制开关后作为探测电路的输出端与积分读出电路连接，探测控制开关的控制端作为探测电路的复位端。
高分辨率大动态范围数字化读出装置的读出方法，应用于上述高分辨率大动态范围数字化读出装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、预比较阶段，外部控制信号为低电平，控制反向补偿电路的所有控制开关断开，探测电路的探测控制开关闭合，探测电路产生光电流信号在积分读出电路的积分电容上进行积分，外部开关控制信号控制强光控制开关闭合，强光比较器比较强光比较电压输入端输入的强光比较电压是否大于积分读出电路的输出电压，若是则其输出控制与其连接的积分读出电路的复位端不动作，且强光计数器不计数，否则其输出控制与其连接的积分读出电路的复位端复位，且强光计数器的计数值加1，当强光计数器的值为0时，强光锁存器此时为0，否则强光锁存器此时为1；
步骤2、预比较完成前至预比较完成阶段，该阶段时间为半个计数时钟脉冲周期，控制弱光控制开关闭合，若强光计数器的计数值为0，则强光锁存器锁存后输出为0，否则为1，同时各弱光比较器比较积分读出电路的输出电压是否大于对应弱光比较电压输入端输入的弱光比较电压，若是则该弱光比较器输出0经对应弱光锁存器锁存后输出为0，否则输出为1；
步骤3、数字化阶段，外部控制信号为高电平，常规控制开关闭合，当强光锁存器的输出为1时，探测电路的探测控制开关断开，不参与数字化阶段的积分；当强光锁存器的输出为0时，探测电路的探测控制开关闭合，进行数字化，探测电路输出的光电流信号参与积分，此时当所有弱光锁存器的输出为0时，与非弱光补偿电流源对应的控制开关闭合，而其余控制开关断开，非弱光补偿电流源进行反向补偿，当任意一个弱光锁存器的输出为1时，对应的控制开关闭合，而其余控制开关断开，对应的弱光补偿电流源进行反向补偿，同时常规计数器开始对计数时钟脉冲进行计数，当输入常规比较器正相输入端及反相输入端的电压大小翻转时停止计数，数字化阶段完成；
步骤4、总线输出阶段，数字化阶段完成时，总线输出电路获取强光预比较计数值、数字化比较计数值、强光判断值及弱光判断值，使其在积分完成前完成对光强的量化。
具体的，还包括以下步骤：
步骤5、根据获取的强光预比较计数值、数字化比较计数值、强光判断值及弱光判断值计算得到光电流大小。
进一步的，步骤5中，计算公式为：
其中，Id为光电流大小，N1为强光预比较计数值，N2为数字化比较计数值，fclk为计数时钟脉冲的频率，Vref0为强光比较电压端输入的强光比较电压，Vcom为固定偏置电压输入端输入的固定偏置电压，C为积分电容的电容值，MSB为强光锁存器的输出值，WSB<1>～WSB<n>为各弱光锁存器的输出值，WSB<i>为第i个弱光锁存器的输出值，Icp0为非弱光补偿电流源的电流值，Icp1～Icpn为各弱光补偿电流源的电流值，其电流值由大至小进行排列，WSB<i>对应的弱光锁存器对应Icpi对应的弱光补偿电流源，n为弱光补偿电流源的数量，为大于等于1的整数。
具体的，所述非弱光补偿电流源的电流值选择方法为：根据需要设定积分完成时间，记为Tmax并获取积分电容的电容值C或补偿电容的电容值C1，采用公式计算非弱光补偿电流源的最小值及各弱光补偿电流源的最小值；
当应用于如权利要求8所述的高分辨率大动态范围数字化读出装置时，计算公式为：
当应用于如权利要求11所述的高分辨率大动态范围数字化读出装置时，计算公式为：
其中，Icpi是指第i个弱光补偿电流源的电流值，i为大于等于1小于等于n的整数，j为大于等于1小于等于n的整数，Icp1～Icpn为各弱光补偿电流源的电流值，其电流值由大至小进行排列，Vrefj是指第j个弱光比较电压的电压值，Vref1～Vrefn的电压值由大至小进行排列，Vrefj对应的弱光比较电压对应Icpj对应的弱光补偿电流源，T1为预比较阶段时间，Tmax为积分完成时间。
本发明的有益效果是，通过上述高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法，通过加入反向补偿电流源(包括非弱光补偿电流源及弱光补偿电流源)，在积分过程中进行数字量化的方式，能够实现大动态范围高精度的数字化光强检测与数字量化，且在积分重置前实现光强的数字化；由于补偿电流存在，积分结束重置前总能触发常规比较器翻转，从而确保不同光强下的量化；动态范围及精度均与基础时钟信号频率有关，可通过适当增加基础时钟信号频率来扩大动态范围和探测精度，使得弱光强信号与强光信号探测的动态范围及精度均有提高。
附图说明
图1为本发明实施例中高分辨率大动态范围数字化读出装置中弱光补偿电流源只有一个时的电路图；
图2为本发明实施例中另一种高分辨率大动态范围数字化读出装置中弱光补偿电流源只有一个时的电路图；
图3为图1中高分辨率大动态范围数字化读出装置的积分输出电压在不同光强下输出信号、固定控制时序及计数时钟信号示意图；
图4为图1中高分辨率大动态范围数字化读出装置在极强光信号且预比较剩余量较大情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图；
图5为图1中高分辨率大动态范围数字化读出装置在极强光信号且预比较剩余量极小情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图；
图6为图1中高分辨率大动态范围数字化读出装置在较强光信号情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图。
图7为图1中高分辨率大动态范围数字化读出装置在极弱光信号情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图。
图8为图2中高分辨率大动态范围数字化读出装置中积分输出电压在不同光强下输出信号、固定控制时序及计数时钟信号示意图；
图9为图2中高分辨率大动态范围数字化读出装置在极强光信号且预比较剩余量较大情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图；
图10为图2中高分辨率大动态范围数字化读出装置在极强光信号且预比较剩余量极小情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图；
图11为图2中高分辨率大动态范围数字化读出装置在较强光信号情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图。
图12为图2中高分辨率大动态范围数字化读出装置在极弱光信号情况下积分输出电压示意图及各逻辑控制开关时序图。
图13为本发明实施例中高分辨率大动态范围数字化读出装置的电路图；
图14为本发明实施例中另一种高分辨率大动态范围数字化读出装置的电路图；
其中，s1为外部复位控制信号，k1为复位控制开关一，k8为复位控制开关二，k2为强光控制开关，k3为常规控制开关，k4为弱光控制开关，s2为强光控制开关的控制端所输入的控制时序，s4为弱光控制开关k4的控制端所输入的控制时序，s3为外部控制信号，Vcom为固定偏置电压，C为积分电容，Det为光电转换器件，k9为补偿控制开关，s7为探测控制开关的控制端输入的时序，s5为非弱光补偿电流源对应的控制开关上控制端输入的时序，s6为弱光补偿电流源对应的控制开关上控制端输入的时序，counter1为强光计数器，counter2为常规计数器，Vref0为强光比较电压，Vref1～Vrefn为各弱光比较电压，Icp0为非弱光补偿电流源的电流值，Icp1～Icpn为各弱光补偿电流源的电流值，MSB为强光锁存器的输出值，WSB为弱光锁存器的输出值，WSB<1>～WSB<n>为各弱光锁存器的输出值，Count clk为计数时钟脉冲，Vsat,max为积分读出电路最大截止电压，Vsat,min为积分读出电路最小截止电压，Vout为积分输出电路的输出电压，T1为预比较阶段时间，Tmax为积分完成时间，T2为数字化阶段时间，Vd为预比较阶段积分读出电路的输出电压变化，V1为极强光环境下数字化阶段积分读出电路的输出电压变化，V2为较弱光环境下数字化阶段积分读出电路的输出电压变化，V3为极弱光环境下数字化阶段积分读出电路的输出电压变化，Vc1为应用在图2时常规比较器cmp2反向输入端电压的变化。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述的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，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，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，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，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，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；这里，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；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；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；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。
实施例
本发明实施例中的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，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，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，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，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，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；反向补偿电路的输出端可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，其电路图参见图13；反向补偿电路的输出端还可以进行以下连接方式：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k9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k9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k9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s1控制，其电路图参见图14。
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。
本例中，探测电路可以包括光电转换器件Det及探测控制开关k7，光电转换器件Det的输出端通过探测控制开关k7后作为探测电路的输出端与积分读出电路连接，探测控制开关k7的控制端作为探测电路的复位端。
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(k1或k8)的接收信号进行复位控制。
本例中，为实现上述描述中的积分读出电路，则其包括复位控制开关一k1及复位控制开关二k8，复位控制开关一k1与复位控制开关二k8并联，复位控制开关一k1的控制端及复位控制开关二k8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(本例中，为复位开关二k8)与数字化电路的输出端连接，另一个复位端(本例中，为复位开关一k1)用于接受外部复位控制信号s1的控制；而积分读出电路本身可采用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等，均需包括积分电容C，当采用缓冲直接注入读出电路时，其结构可为：包括运算放大器、积分电容C、固定偏置电压输入端、复位控制开关一k1及复位控制开关二k8，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C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k1及复位控制开关二k8分别与积分电容C并联，运算放大器的输出端作为积分读出电路的输出端。其中，复位控制开关一k1及复位控制开关二k8可以为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关等。
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S3一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S3一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S3一起控制反向补偿电路的非弱光补偿电流源进行补偿。
这里，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，反向补偿电路的结构举例为：
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。
则对应的数字化电路的结构举例为：包括外部清零信号输入端、与非门、强光控制开关k2、常规控制开关k3、强光比较电压输入端、固定偏置电压输入端、强光计数器counter1、常规计数器counter2、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k2后与积分读出电路的一个复位端连接，且与强光计数器counter1的输入端连接，强光计数器counter1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k3后与常规计数器counter2的输入端连接，常规计数器counter2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；其中，外部清零信号输入端用于接受外部复位控制信号s1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counter1的清零端、常规计数器counter2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；强光控制开关k2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k3受外部控制信号s3控制；常规计数器counter2的时钟端用于输入计数时钟脉冲count clk。强光锁存器及弱光锁存器均优选为1位锁存器。
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k9，常规比较电压输入端通过补偿控制开关k9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k9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s1控制时，反向补偿电路的结构举例为：
还包括非门、电容C1、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C1接地。
则对应的数字化电路的结构举例为：包括外部清零信号输入端、补偿控制开关k9、与非门、强光控制开关k2、常规控制开关k3、强光比较电压输入端、固定偏置电压输入端、强光计数器counter1、常规计数器counter2、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k2后与积分读出电路的一个复位端连接，且与强光计数器counter1的输入端连接，强光计数器counter1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通过补偿控制开关k9后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k3后与常规计数器counter2的输入端连接，常规计数器counter2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；其中，外部清零信号输入端用于接受外部复位控制信号s1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counter1的清零端、常规计数器counter2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；强光控制开关k2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k3受外部控制信号控制；常规计数器counter2的时钟端用于输入计数时钟脉冲count clk。
本例中，控制开关可以为PMOS开关或NMOS开关或CMOS开关或自举开关等。强光锁存器及弱光锁存器均优选为1位锁存器。
本例中，总线输出电路可以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，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。
根据上述举例中的结构，在使用时，包括以下步骤：
步骤1、预比较阶段，外部控制信号为低电平，控制反向补偿电路的所有控制开关断开，探测电路的探测控制开关闭合，探测电路产生光电流信号在积分读出电路的积分电容上进行积分，外部开关控制信号控制强光控制开关闭合，强光比较器比较强光比较电压输入端输入的强光比较电压是否大于积分读出电路的输出电压，若是则其输出控制与其连接的积分读出电路的复位端不动作，且强光计数器不计数，否则其输出控制与其连接的积分读出电路的复位端复位，且强光计数器的计数值加1，当强光计数器的值为0时，强光锁存器此时为0，否则强光锁存器此时为1。
步骤2、预比较完成前至预比较完成阶段，该阶段时间为半个计数时钟脉冲周期，控制弱光控制开关闭合，若强光计数器的计数值为0，则强光锁存器锁存后输出为0，否则为1，同时各弱光比较器比较积分读出电路的输出电压是否大于对应弱光比较电压输入端输入的弱光比较电压，若是则该弱光比较器输出0经对应弱光锁存器锁存后输出为0，否则输出为1。
步骤3、数字化阶段，外部控制信号为高电平，常规控制开关闭合，当强光锁存器的输出为1时，探测电路的探测控制开关断开，不参与数字化阶段的积分；当强光锁存器的输出为0时，探测电路的探测控制开关闭合，进行数字化，探测电路输出的光电流信号参与积分，此时当所有弱光锁存器的输出为0时，与非弱光补偿电流源对应的控制开关闭合，而其余控制开关断开，非弱光补偿电流源进行反向补偿，当任意一个弱光锁存器的输出为1时，对应的控制开关闭合，而其余控制开关断开，对应的弱光补偿电流源进行反向补偿，同时常规计数器开始对计数时钟脉冲进行计数，当输入常规比较器正相输入端及反相输入端的电压大小翻转时停止计数，数字化阶段完成。
步骤4、总线输出阶段，数字化阶段完成时，总线输出电路获取强光预比较计数值、数字化比较计数值、强光判断值及弱光判断值，使其在积分完成前完成对光强的量化。
还可以包括以下步骤：
步骤5、根据获取的强光预比较计数值、数字化比较计数值、强光判断值及弱光判断值计算得到光电流大小。
该计算公式为：
其中，Id为光电流大小，N1为强光预比较计数值，N2为数字化比较计数值，fclk为计数时钟脉冲的频率，Vref0为强光比较电压端输入的强光比较电压，Vcom为固定偏置电压输入端输入的固定偏置电压，C为积分电容的电容值，MSB为强光锁存器的输出值，WSB<1>～WSB<n>为各弱光锁存器的输出值，WSB<i>为第i个弱光锁存器的输出值，Icp0为非弱光补偿电流源的电流值，Icp1～Icpn为各弱光补偿电流源的电流值，其电流值由大至小进行排列，WSB<i>对应的弱光锁存器对应Icpi对应的弱光补偿电流源，n为弱光补偿电流源的数量，为大于等于1的整数。
本例中，非弱光补偿电流源的电流值选择方法为：根据需要设定积分完成时间，记为Tmax并获取积分电容的电容值C或补偿电容的电容值C1，采用公式计算非弱光补偿电流源的最小值及各弱光补偿电流源的最小值；
当应用于如图13所示的高分辨率大动态范围数字化读出装置时，计算公式为：
当应用于如图14所示的高分辨率大动态范围数字化读出装置时，计算公式为：
其中，Icpi是指第i个弱光补偿电流源的电流值，i为大于等于1小于等于n的整数，j为大于等于1小于等于n的整数，Icp1～Icpn为各弱光补偿电流源的电流值，其电流值由大至小进行排列，Icp0为非弱光补偿电流源的电流值，Vrefj是指第j个弱光比较电压的电压值，Vref1～Vrefn的电压值由大至小进行排列，Vrefj对应的弱光比较电压对应Icpj对应的弱光补偿电流源，Vref0为强光比较电压的电压值，T1为预比较阶段时间，Tmax为积分完成时间。
本例中，Vref0较大，但小于运算放大器输出摆幅最大截止电压，即积分读出电路最大截止电压Vsat,max，Vref1～Vrefn较小，但大于固定偏置电压Vcom，Vref0大于Vref1～Vrefn。
这里，以反向补偿电路只有一个弱光补偿电流源Icp1时分别进行具体举例：
参见图1，为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高分辨率大动态范围数字化读出装置的电路图；参见图2，为另一种高分辨率大动态范围数字化读出装置的电路图；参见图3，为图1中的电路计数时钟脉冲及各比较输出端口在不同光强背景下的输出信号；参见图8，为图2中的电路计数时钟脉冲及各比较输出端口在不同光强背景下的输出信号，图3及图8电路计数时钟脉冲相同，且相同光强背景下总线接收数据相同，Vcom为固定偏置电压，Vref0为强光比较器cmp1的强光比较电压，Vref1为弱光比较器cmp3的弱光比较电压，其中Vsat,min为积分读出电路最小截止电压，Vsat,max为积分读出电路最大截止电压，Tmax积分完成所需时间，T1为预比较时间，T2为数字化阶段时间。图3和图8中，Vd为预比较阶段积分读出电路的输出电压变化，V1为极强光环境下数字化阶段积分读出电路的输出电压变化，V2为较弱光环境下数字化阶段积分读出电路的输出电压变化，V3为极弱光环境下数字化阶段积分读出电路的输出电压变化，Vc1为应用在图2时常规比较器cmp2反向输入端电压的变化。s1为外部复位控制信号，同时各比较器(包括强光比较器、常规比较器及弱光比较器)、各计数器(包括强光计数器及常规计数器)及各锁存器(包括强光锁存器及弱光锁存器)的清理信号端也由s1控制，s2和s4时钟控制分别为极强光比较及极弱光比较提供控制时序，即分别为强光控制开关k2与弱光控制开关k4的控制端所输入的控制时序，使极强光量化检测仅在预比较阶段工作，极弱光比较判断在预比较结束前一个基础时钟周期(即半个计数时钟脉冲周期)工作，s3(即外部控制信号)为常规比较器cmp2提供控制时序，即为常规控制开关k3的控制端所输入的控制时序，使其仅在数字化阶段工作，控制开关k5(对应于非弱光补偿电流源Icp0的控制开关)、控制开关k6(对应于弱光补偿电流源Icp1的控制开关)及探测控制开关k7断开与闭合也与s3控制时序有关，s3提供的时序使反向补偿电流源(包括非弱光补偿电流源及弱光补偿电流源)仅在数字化阶段参与补偿，且保障探测的光电流在预比较阶段参与积分。
按照图1所示的高分辨率大动态范围数字化读出装置，可在积分结束重置前数字化探测光强，具体情况及步骤如下：
情况1、如图4所示，光强极强且预比较结束时电压剩余量较大。s1控制复位控制开关一k1重置完输出电压Vout后断开，此时探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生的光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入检测强光的预比较阶段。由于光强极强，光生电流在很短时间内使输出电压Vout积分到Vref0，此时强光比较器cmp1翻转使复位控制开关二k8重置，输出积分电压被重置到固定偏置电压Vcom，运算放大器输出翻转使复位控制开关二k8断开，积分读出电路继续积分，同时强光计数器counter1计数值加1，之后重复上述过程，当预比较阶段结束时，强光检测位MSB为1，探测控制开关k7断开，光电流暂时不参与积分，防止数字化阶段反向补偿电流比光电流小而补偿不足，预比较计数后电压剩余量仍然较大，弱光比较检测位WSB(由于仅有一个弱光补偿电流源Icp1，则仅有一个WSB<1>，此处简称WSB)为0，视光强为较强光信号，控制开关k5闭合，控制开关k6仍然断开，较大的非弱光补偿电流源Icp0进行反向补偿，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始计数，进入数字化阶段；由于仅有反向补偿电流(此时为Icp0)的作用，电压向下进行积分，经过T2时间后，积分读出电路的输出电压达到Vcom，常规比较器cmp2的输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
情况2、如图5所示，光强极强且预比较结束时电压剩余量较小，s1控制复位控制开关一k1重置Vout后断开，探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入预比较阶段。由于光强极强，光生电流在很短时间内使输出电压Vout积分到Vref0，此时强光比较器cmp1翻转使复位控制开关二k8重置，输出积分电压被重置到固定偏置电压Vcom，运算放大器输出翻转使复位控制开关二k8断开，积分读出电路继续积分，同时强光计数器counter1计数值加1，之后重复上述过程，当预比较阶段结束时，强光检测位MSB为1，探测控制开关k7断开，光电流暂时不参与积分，防止数字化阶段反向补偿电流比光电流小而补偿不足，因预比较计数后电压剩余量极小，弱光比较检测位WSB为1，视光强为极弱光信号，控制开关k6闭合，控制开关k5仍然断开，较小的弱光补偿电流源Icp1进行反向补偿，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始计数，进入数字化阶段，由于仅有反向补偿电流(此时为Icp1)的作用，电压向下进行积分，经过T2时间后，积分输出电压达到Vcom，常规比较器cmp2输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
情况3、如图6所示，光强较强，预比较结束时电压积分量较大，s1控制复位控制开关一k1闭合重置Vout后断开，探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入预比较阶段。由于光强较强，但光生电流在预比较结束时都未能使输出电压Vout积分到Vref0，预比较阶段强光比较器cmp1不翻转，复位控制开关二k8不闭合，强光计数器counter1计数值为0，预比较阶段结束时，强光检测位MSB为0，探测控制开关k7仍然闭合，光电流继续参与积分，因预比较阶段完成时，Vout>Vref1，弱光比较检测位WSB输出为0，视光强为较强光信号，控制开关k5闭合，控制开关k6仍然断开，采用较大的非弱光补偿电流源Icp0进行反向补偿，积分输出电压开始下降，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始计数，进入数字化阶段，电压Vout经过T2时间后，积分达到Vcom，常规比较器cmp2输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
情况4、如图7所示，光强极弱，且预比较结束时电压积分量极小，s1控制复位控制开关一k1闭合重置Vout后断开，探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入预比较阶段，由于光强极弱，光生电流在预比较结束时未能使输出电压Vout积分到Vref0，预比较阶段强光比较器cmp1不翻转，复位控制开关二k8不闭合，强光计数器counter1计数值为0，预比较阶段结束时，强光检测位MSB为0，探测控制开关k7仍然闭合，光电流继续参与积分，因预比较阶段完成时，Vout<Vref3，弱光比较检测位WSB为1，视光强为极弱光信号，控制开关k6闭合，控制开关k5仍然断开，采用较小的弱光补偿电流源Icp1进行反向补偿，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始计数,进入数字化阶段，输出电压Vout经过T2时间后积分达到Vcom，常规比较器cmp2输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
按照图2所示的高分辨率大动态范围数字化读出装置，在积分结束重置前数字化探测光强，具体情况及步骤如下：
情况1、如图9所示，光强极强且预比较结束时电压剩余量较大，s1控制复位控制开关一k1闭合重置Vout后断开，探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入预比较阶段。由于光强极强，光生电流在很短时间内使输出电压Vout积分到Vref0，此时强光比较器cmp1翻转使复位控制开关二k8闭合，输出积分电压Vout被重置到Vcom，运算放大器输出翻转使复位控制开关二k8断开，积分读出电路继续积分，同时强光计数器counter1计数值加1，之后重复上述过程。预比较阶段结束时，强光检测位MSB为1，探测控制开关k7断开，光电流暂不进行积分，因预比较计数后电压剩余量仍然较大，弱光比较检测位WSB为0，视光强为较强光信号，控制开关k5闭合，控制开关k6仍然断开，采用较大的非弱光补偿电流源Icp0进行反向补偿，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始进行计数，进入数字化阶段，补偿电流在常规比较器cmp2输入端进行积分，经过T2时间后，该输入端电压超过Vout，常规比较器cmp2输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
情况2、如图10所示，光强极强且预比较结束时电压剩余量较大，s1控制复位控制开关一k1闭合重置Vout后断开，探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入预比较阶段，由于光强极强，光生电流在很短时间内使输出电压Vout积分到Vref0，此时强光比较器cmp1翻转使复位控制开关二k8闭合，输出积分电压Vout被重置到Vcom，运算放大器输出翻转使复位控制开关二k8断开，积分读出电路继续积分，同时强光计数器counter1计数值加1，之后重复上述过程。预比较阶段结束时，强光检测位MSB为1，探测控制开关k7断开，光电流暂不进行积分，因预比较计数后电压剩余量极小，弱光比较检测位WSB为1，视光强为极弱光信号，控制开关k6闭合，控制开关k5仍然断开，采用较小的弱光补偿电流源Icp1进行反向补偿，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始进行计数，进入数字化阶段，补偿电流在常规比较器cmp2输入端进行积分，经过T2时间后，该输入端电压超过Vout，常规比较器cmp2输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
情况3、如图11所示，光强较强且预比较结束时电压积分量较大，s1控制复位控制开关一k1闭合重置Vout后断开，探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入预比较阶段，由于光强较强，但光生电流在预比较结束时都未能使输出电压Vout积分到Vref0，预比较阶段强光比较器cmp1不翻转，复位控制开关二k8不闭合，强光计数器counter1计数值为0，当预比较阶段结束时，强光检测位MSB为0，探测控制开关k7仍然闭合，光电流继续积分，预比较阶段完成时，Vout>Vref1，弱光比较检测位WSB输出为0，视光强为较强光信号，控制开关k5闭合，控制开关k6仍然断开，采用较大的非弱光补偿电流源Icp0进行反向补偿，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始计数,进入数字化阶段，Icp0在常规比较器cmp2输入端进行积分，经过T2时间后，Vrefd>Vout，Vrefd为常规比较器cmp2的反相输入端输入的电压值，常规比较器cmp2输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
情况4、如图12所示，光强极弱且预比较结束时电压积分量极小，s1控制复位控制开关一k1闭合重置Vout后断开，探测控制开关k7闭合，光电转换器件Det产生光电流进行积分，强光控制开关k2闭合，强光比较器cmp1工作，进入预比较阶段，由于光强极弱，光生电流在预比较结束时未能使输出电压Vout积分到Vref1，预比较阶段强光比较器cmp1不翻转，复位控制开关二k8不闭合，强光计数器counter1计数值为0，当预比较阶段结束时，强光检测位MSB为0，探测控制开关k7仍然闭合，光电流继续积分，预比较阶段完成时，Vout<Vref1，弱光比较检测位WSB为1，视光强为极弱光信号，控制开关k6闭合，控制开关k5仍然断开，采用较小的弱光补偿电流源Icp1进行反向补偿，同时常规控制开关k3闭合，常规比较器cmp2工作，常规计数器counter2开始计数,进入数字化阶段，Icp1在常规比较器cmp2输入端进行积分，经过T2时间后，Vrefd>Vout，Vrefd为常规比较器cmp2的反相输入端输入的电压值，常规比较器cmp2输出翻转，常规计数器counter2停止计数，同时将计数值传入数字化比较计数总线；
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积分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传统的光强检测技术需要将积分电压进行模数转换，模数转换需要精确、复杂的电路，为了检测较弱的信号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。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，只是在传统积分读出电路方式上增加了比较模块来提高强光探测范围，仍需要对剩余量进行数字化；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，降低了电路读出的速度；
通过预比较阶段的极强光脉冲计数及极强光检测位的输出控制，预比较结束时极弱光的检测输出锁存控制，数字化阶段的反向补偿计数时钟脉冲计数，可在积分完成前对光生电流进行数字化处理；由于极强光信号和极弱光信号均进行了动态范围的扩充，使得像素单元动态范围有很大提升，且对极强光剩余量补偿处理和极弱光反向补偿电流选择的处理，使得探测精度非常精确。
总线输出电路接收强光预比较计数值、数字化比较计数值、强光判断值(强光检测位值MSB)及弱光判断值(弱光检测位值WSB)，通过对这些值的直接计算即可得到光生电流大小。
本例具体的光强检测方法如下：
根据输入共模范围及输出摆幅限制选取适当固定偏置电压Vcom、强光比较电压Vref0和弱光比较电压Vref1，根据电路需要设定积分完成时间为Tmax及积分电容C的值，由于补偿电流需在积分完成前使电压积分Vout达到Vcom，则在如图1的高分辨率大态动范围数字化读出装置中，所以所需补偿的非弱光补偿电流源的电流最小值为：
所需补偿的弱光补偿电流源的电流最小值为：
则在如图2的高分辨率大态动范围数字化读出装置中，所以所需补偿的非弱光补偿电流源的电流最小值为：
所需补偿的弱光补偿电流源的电流最小值为：
如图4或图9所示，极强光照且预比较结束时电压剩余量较大情况下，总线输出电路接收到强光计数器counter1计数为N1，MSB＝1，常规计数器counter2在T1时间计数值为N1，在T2时间计数值为N2，WSB＝0，此时
N1×(Vref0-Vcom)×C+Icp0×T2＝Id×T1
如图5或图10所示，极强光照且预比较结束时电压剩余量较小情况下，总线输出电路接收到强光计数器counter1计数为N1，MSB＝1，常规计数器counter2在T1时间计数值为N1，在T2时间计数值为N2，WSB＝1，此时
N1×(Vref0-Vcom)×C+Icp1×T2＝Id×T1
如图6或图11所示，较强光照在预比较结束时电压积分变换较大情况下，总线输出电路接收到强光计数器counter1计数为N1＝0，MSB＝0，常规计数器counter2在T1时间计数值为N1，在T2时间计数值为N2，WSB＝0，此时
Icp0×T2＝Id×(T1+T2)
如图7或图12所示，极光光照在预比较结束时电压积分变化量极小条件，总线输出电路接收到强光计数器counter1计数为N1＝0，MSB＝0，常规计数器counter2在T1时间计数值为N1，在T2时间计数值为N2，WSB＝1，此时
Icp1×T2＝Id×(T1+T2)
将MSB及WSB作为逻辑运算位，可将上述公式用如下公式表示：
由上式求得探测电路光生电流为：
由上式得出的探测电路光生电流大小可知，光生电流大小由四条总线所接收的计数值、检测位值、已知补偿电流和计数时钟脉冲的频率可计算出。
同理，可推断出当具有多个弱光补偿电流源时，在如图13的高分辨率大态动范围数字化读出装置中，所以所需补偿的非弱光补偿电流源的电流最小值为：
所需补偿的弱光补偿电流源的电流最小值为：
则在如图2的高分辨率大态动范围数字化读出装置中，所以所需补偿的非弱光补偿电流源的电流最小值为：
所需补偿的弱光补偿电流源的电流最小值为：
求得探测电路光生电流为：
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装置及方法采用了反向电流补偿技术与数字化技术相结合，通过不同光强下积分电压到达同一个参考电压所需积分时间的不同，经数字化后得到光强检测结果，不需要生成多个参考电压，也不需要后续ADC处理积分电压电路；②预比较结束后光强检测过程与光电流积分及反向补偿过程同时进行，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在预比较阶段对极强光信号进行脉冲计数，对极弱光信号在数字化阶段选择较弱反向补偿电流，使得像素单元的动态范围有较大提高，且检测精度明显提高；④动态范围及探测精度都与计数时钟频率有关，适当调整时钟频率可使检测更准确；⑤预比较完成后，电压剩余量较小时被很快检测出，剩余时间可做其它行(或列)像素单元光强检测等。
且根据上述描述可知，还可更换各弱光比较器的正相输入端及反相输入端的连接关系，更换后则需要在与弱光补偿电流源对应的与门的输入端加入相应的非门，而去掉非弱光补偿电流源对应的与门的输入端上的非门，计算公式进行相应修改即可。
综上所述，本发明能在像素内完成对积分电压的完全数字量化，且在积分完成前即可准确地检测光照强度，通过对极强光的预比较阶段的脉冲计数，及对极弱光信号选择不同的补偿电流，明显提高像素的动态范围及探测精度。
Claims (16)
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通过补偿控制开关后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。
11.根据权利要求10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。
12.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，所述探测电路包括光电转换器件及探测控制开关，所述光电转换器件的输出端通过探测控制开关后作为探测电路的输出端与积分读出电路连接，探测控制开关的控制端作为探测电路的复位端。
13.高分辨率大动态范围数字化读出装置的读出方法，应用于如权利要求8或11所述的高分辨率大动态范围数字化读出装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、预比较阶段，外部控制信号为低电平，控制反向补偿电路的所有控制开关断开，探测电路的探测控制开关闭合，探测电路产生光电流信号在积分读出电路的积分电容上进行积分，外部开关控制信号控制强光控制开关闭合，强光比较器比较强光比较电压输入端输入的强光比较电压是否大于积分读出电路的输出电压，若是则其输出控制与其连接的积分读出电路的复位端不动作，且强光计数器不计数，否则其输出控制与其连接的积分读出电路的复位端复位，且强光计数器的计数值加1，当强光计数器的值为0时，强光锁存器此时为0，否则强光锁存器此时为1；
步骤2、预比较完成前至预比较完成阶段，该阶段时间为半个计数时钟脉冲周期，控制弱光控制开关闭合，若强光计数器的计数值为0，则强光锁存器锁存后输出为0，否则为1，同时各弱光比较器比较积分读出电路的输出电压是否大于对应弱光比较电压输入端输入的弱光比较电压，若是则该弱光比较器输出0经对应弱光锁存器锁存后输出为0，否则输出为1；
步骤3、数字化阶段，外部控制信号为高电平，常规控制开关闭合，当强光锁存器的输出为1时，探测电路的探测控制开关断开，不参与数字化阶段的积分；当强光锁存器的输出为0时，探测电路的探测控制开关闭合，进行数字化，探测电路输出的光电流信号参与积分，此时当所有弱光锁存器的输出为0时，与非弱光补偿电流源对应的控制开关闭合，而其余控制开关断开，非弱光补偿电流源进行反向补偿，当任意一个弱光锁存器的输出为1时，对应的控制开关闭合，而其余控制开关断开，对应的弱光补偿电流源进行反向补偿，同时常规计数器开始对计数时钟脉冲进行计数，当输入常规比较器正相输入端及反相输入端的电压大小翻转时停止计数，数字化阶段完成；
步骤4、总线输出阶段，数字化阶段完成时，总线输出电路获取强光预比较计数值、数字化比较计数值、强光判断值及弱光判断值，使其在积分完成前完成对光强的量化。
14.根据权利要求13所述高分辨率大动态范围数字化读出装置的读出方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤5、根据获取的强光预比较计数值、数字化比较计数值、强光判断值及弱光判断值计算得到光电流大小。
15.根据权利要求14所述高分辨率大动态范围数字化读出装置的读出方法，其特征在于，步骤5中，计算公式为：
其中，Id为光电流大小，N1为强光预比较计数值，N2为数字化比较计数值，fclk为计数时钟脉冲的频率，Vref0为强光比较电压端输入的强光比较电压，Vcom为固定偏置电压输入端输入的固定偏置电压，C为积分电容的电容值，MSB为强光锁存器的输出值，WSB<1>～WSB<n>为各弱光锁存器的输出值，WSB<i>为第i个弱光锁存器的输出值，Icp0为非弱光补偿电流源的电流值，Icp1～Icpn为各弱光补偿电流源的电流值，其电流值由大至小进行排列，WSB<i>对应的弱光锁存器对应Icpi对应的弱光补偿电流源，n为弱光补偿电流源的数量，为大于等于1的整数。
16.根据权利要求13或14或15所述高分辨率大动态 范围数字化读出装置的读出方法，其特征在于，所述非弱光补偿电流源的电流值选择方法为：根据需要设定积分完成时间，记为Tmax并获取积分电容的电容值C或补偿电容的电容值C1，采用公式计算非弱光补偿电流源的最小值及各弱光补偿电流源的最小值；
当应用于如权利要求8所述的高分辨率大动态范围数字化读出装置时，计算公式为：
当应用于如权利要求11所述的高分辨率大动态范围数字化读出装置时，计算公式为：
其中，Icpi是指第i个弱光补偿电流源的电流值，i为大于等于1小于等于n的整数，j为大于等于1小于等于n的整数，Icp1～Icpn为各弱光补偿电流源的电流值，Icp0为非弱光补偿电流源的电流值，其电流值由大至小进行排列，Vrefj是指第j个弱光比较电压的电压值，Vref1～Vrefn的电压值由大至小进行排列，Vrefj对应的弱光比较电压对应Icpj对应的弱光补偿电流源，Vref0为非弱光比较电压的电压值，T1为预比较阶段时间，Tmax为积分完成时间，Vref0为强光比较电压端输入的强光比较电压，Vcom为固定偏置电压输入端输入的固定偏置电压。
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