CN112635508A - 一种红外图像传感器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种红外图像传感器及其控制方法，该红外图像传感器包含复数红外像素单元，配置成MxN的阵列单元，该红外图像传感器的读出电路可以支持两种不同的工作模式。控制方法使得红外图像传感器处于第一工作模式，每次触发一行，第二列选通开关配电性连接第二触点，或处于第二工作模式，每次触发二行或多行，第二列选通开关配电性连接第一触点。这时，第二列选通开关所处的列与其之前的第一列选通开关所处列电性并联。这样在弱光下，采用并联模式，可以用较小的像素单元即光电二极管，实现较大的图像单元才能具备的信号灵敏度，还可以提高图像的读出帧率。

Description

一种红外图像传感器及控制方法
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，具体的涉及一种红外图像传感器及控制方法。
背景技术
红外图像传感器包括红外像素单元，通常配置成M x N的阵列单元，其中M 为行数，N为列数。其中每行有统一的行控制信号，每列有统一的列读出信号。每列像素单元后接积分放大器，采样保持电路和模拟数字转换器。
典型的，红外像素单元由光电二极管组成，运行时采用逐行开启像素单元，首先然后本行中的N个光电二极管产生的电流分别在每列的积分放大器积分放大，转换为电压信号，再通过采样保持电路和模拟数字转换器转换成数字图像信号。如图1所示，运行时首先开启T1,第一行的每个像素单元分别产生光电流，并通过列控制线流到列积分放大器上，在积分放大器转换为电压信号后，再通过采样保持和模拟数字转换器(ADC)产生数字图像信号；然后开启T2，读出第二行的信号；如此重复上述操作，直到所有行的图像信号都被读出，这样就产生了一帧的图像信号。以一定的帧率连续读出多帧图像信号，就形成了视频信号。在实际应用中，在图像传感器尺寸和镜头不变的情况下，为了获得更高的分辨率，一般采用更小的红外像素单元pixel来实现。然而较小的pixel 单元能够接受到的光电信号较少，能够产生的光电流也更少，因而相应的图像信号灵敏度也更低，在弱光情况下，成像效果较差。当光电流微弱到和噪声电流一样量级时，在图像上甚至不能分辨要成像的目标。
因此，需要改进现有的红外图像传感器读出电路。
发明内容
为克服上述的缺陷，本申请的目的在于：提出一种新的红外图像传感器(读出电路)及控制方法，显著提升了微弱光照下的成像质量。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：
一种红外图像传感器，其特征在于，所述红外图像传感器包含：配置成MxN 的阵列单元的复数红外像素单元，
M行选通开关，其分别电性连接至匹配的行，
N列选通开关，其中，列选通开关包括第一列选通开关，第二列选通开关，所述第一列选通开关配置成单触点式，所述第二列选通开关配置成双触点式，且第一列选通开关与第二列选通开关交替的配置，
所述红外图像传感器电性连接控制模块并基于接受的指令运行于第一工作模式或第二工作模式。该红外图像传感器的读出电路可以支持两种不同的工作模式。处于第一工作模式，每次触发一行，第二列选通开关配电性连接第二触点。处于第二工作模式，每次触发二行或多行，第二列选通开关配电性连接第一触点。这时，第二列选通开关所处的列与其之前的第一列选通开关所处列电性并联。这样在弱光下，可以用较小的像素单元，实现较大的图像单元才能具备的信号灵敏度，还可以提高图像的读出帧率。运行于第一模式，该模式下每次读出一行，每个像素单元都可以单独成像，仍然保持MxN的分辨率。
在一实施方式中，所述第二列选通开关包括第一触点及第二触点，
所述红外图像传感器运行于第一工作模式时，每次触发一行对应的行选通开关，所述第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性第二触点，使得每个像素单元单独成像。
在一实施方式中，所述红外图像传感器运行于第二工作模式时，每次触发相邻的2行对应的行选通开关，所述第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性第一触点，使得第二列选通开关所处的列与其相邻的所述第一列选通开关所处列电性并联。
在一实施方式中，所述红外图像传感器运行于第二工作模式时，每次触发相邻的多行对应的行选通开关，所述第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性第一触点，使得第二列选通开关所处的列与其相邻的所述第一列选通开关所处列电性并联。
在一实施方式中，配置成4x4的阵列单元的红外像素单元，
4行选通开关，其分别电性连接至匹配的行，
交替配置的第一列选通开关及第二列选通开关，所述第二列选通开关包括第一触点及第二触点，
运行于第二模式时，一次触发相邻的两行，第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性连接第一触点，所述第二列选通开关所处的列与其前一列电性并联，如此重复直到所有行的信号都被读出。
本申请实施例提出一种红外图像传感器读出电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取运行模式的指令信息，
接收并响应所述指令信息运行于匹配的模式下，
若接收第一指令，则运行于第一模式，
若接收第二指令，则运行于第二模式，
所述第一模式时，每次一个行选通开关即触发一行，
第一列选通开关电性导通，第二列选通开关配电性连接第二触点。这样的设计，红外图像传感器在不增加像素单元尺寸的情况下，根据应用场景的需要，灵活切换图像传感器的分辨率。在弱光下，可以用较小的像素单元(光电二极管)，实现较大的图像单元才能具备的信号灵敏度。
在一实施方式中，处于第二工作模式，
每次触发相邻的2个或多个行选通开关，即每次触发二行或多行，第一列选通开关电性导通，第二列选通开关配电性连接第一触点。
在一实施方式中，该红外图像传感器读出电路首次运行于第一工作模式。
在一实施方式中，该控制模块基于接收的首次运行的图像信息并判断匹配的工作模式，
若判断运行于第一工作模式，则发出第一指令，
若判断运行于第二工作模式，则发出第二指令。
在一实施方式中，该控制模块间隔的基于接收的图像信息并判断匹配的工作模式。
有益效果
相对于现有技术中的方案，本申请的有益效果：
本申请提出的控制方法下，红外图像传感器在不增加像素单元尺寸的情况下，根据应用场景的需要，灵活切换图像传感器的分辨率。在弱光下，采用并联模式，可以用较小的像素单元(光电二极管)，实现较大的图像单元才能具备的信号灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为现有的红外图像传感器的功能示意图；
图2为本申请实施例的红外图像传感器的拓扑示意图；
图3为本申请实施例的红外图像传感器的控制方法示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。附图中包括示意图，会有各个部件的缩尺以及纵横的比率等与实际不同的情况。
本申请提出一种红外图像传感器(读出电路)，该红外图像传感器包含复数红外像素单元，配置成MxN的阵列单元，
M行选通开关，其分别电性连接至匹配的行，
N列选通开关，其中，列选通开关包括第一列选通开关，第二列选通开关，该第一列选通开关配置成单触点式，该第二列选通开关配置成双触点式(第一触点与第二触点)，且第一列选通开关与第二列选通开关交替的配置。该红外图像传感器电性连接控制模块/平台软件，并接受其的控制指令。该红外图像传感器的读出电路可以支持两种不同的工作模式。处于第一工作模式，每次触发一行，第二列选通开关配电性连接第二触点。处于第二工作模式，每次触发二行或多行，第二列选通开关配电性连接第一触点。这时，第二列选通开关所处的列与其之前的第一列选通开关所处列电性并联。这样在弱光下，采用并联模式，可以用较小的像素单元(光电二极管)，实现较大的图像单元才能具备的信号灵敏度，还可以提高图像的读出帧率。运行于第一模式，该模式下每次读出一行，每个像素单元都可以单独成像，仍然保持MxN的分辨率。M,N为自然数。
如图2所示本申请实施例的红外图像传感器的拓扑示意图；
该红外图像传感器包含复数红外像素单元，配置成4x4的阵列单元，行选通开关T1-T4，列选通开关S1-S4，其中，列选通开关包括第一列选通开关 S1/S3，第二列选通开关S2/S4，该第一列选通开关配置成单触点式，该第二列选通开关配置成双触点式，且第一列选通开关与第二列选通开关交替的配置。该红外图像传感器电性连接控制模块/平台软件，并接受其的控制指令。该红外图像传感器的读出电路可以支持两种不同的工作模式。本实施方式中配置成4x 4的阵列单元，在其它的实施方式中，对行数/列数不作限定。
在弱光条件下，该红外图像传感器接受指令，运行于第二模式，该模式下，第二列选通开关电性接通于第一触点0，该模式下，第二列选通开关所处的列与其前一列电性并联(如，COL1/COL2并联，COL3/COL4并联)，此时一次选中两行，即T1/T2同时选通，两行的像素单元产生的光电流分别流到对应列上，即 COL1/COL2/COL3/COL4每列上都有相邻两行的光电流；然后选择列选通信号 S1/S2，使COL1的电流流到第一列的积分放大器上，使COL2的电流也流到第一列的积分放大器上，没有电流通到第二列的积分放大器；同样的选择S3/S4，使 COL3/COL4的电流都流到第三列的积分放大器上，没有电流通到第四列的积分放大器。前两行的信号读出后，同时选中下两行T3/T4,重复上述操作；一直到所有行的信号都被读出。若为N列时，依次同样控制所有列的选通信号S5到Sn.在该并联模式下，每一列的积分放大器所积分的电流都是相邻两行两列的像素单元的光电流之和，相当于相邻两行两列的像素单元组成了一个4倍大的像素单元产生的光电流是单个像素单元的4倍，显著增加了信号灵敏度，改善了弱光下的成像效果。由于一次读出两行，每帧图像的读出时间减半，所以图像的帧率可以加倍。在其他的实施方式中，可一次读出3行、4行或多行(需设置匹配的第二列选通开关)。
在强光条件下，该红外图像传感器接受指令，运行于第一模式，该模式下每次读出一行，第二列选通开关电性接通于第二触点1，这样每个像素单元都单独成像，仍然保持MxN的分辨率。
该红外图像传感器在不增加像素单元尺寸的情况下，通过控制行选通信号和列读出信号，使相邻的若干个(Fig2中为4个)像素单元的光电流能够并联起来，再送到对应的积分放大器。这样的成像效果，相当于4倍尺寸的像素单元的图像灵敏度，显著提升了微弱光照下的成像质量，提高图像信号灵敏度，改善微弱光照下的成像效果。在一实施方式中，该红外图像传感器首次运行时默认运行于第一模式，控制模块/平台软件基于首次获取的图像信息再判断运行于第一模式或第二模式。在一实施方式中，控制模块/平台软件基于配置的传感装置判断运行于第一模式或第二模式。
本申请实施例提出一种红外图像传感器(读出电路)的控制方法，该方法包括如下步骤：
获取运行模式的指令信息，
接收并响应该指令信息运行于匹配的模式下，
若接收第一指令，则运行于第一模式，
若接收第二指令，则运行于第二模式，该模式下也称并联模式，一次读出两行，这样每帧图像的读出时间减半，所以图像的帧率可以加倍。用较小的像素单元(光电二极管)，实现较大的图像单元才能具备的信号灵敏度。第二模式时可提高图像信号灵敏度，改善微弱光照下的成像效果。本实施方式中，强光或弱光由控制模块/平台软件判断。图像传感器电性连接该控制模块/平台软件并受其控制。该方法下红外图像传感器在不增加像素单元尺寸的情况下，根据应用场景的需要，灵活切换图像传感器的分辨率。提高图像信号灵敏度，改善微弱光照下的成像效果。在弱光下，采用并联模式，可以用较小的像素单元 (光电二极管)，实现较大的图像单元才能具备的信号灵敏度。当采用并联模式时，可以提高图像的读出帧率。
在一实施方式中，先默认为强光，及工作于第一模式，这时传感器为普通模式，输出图像信号到平台，平台基于接收的图像信息并判断信号强度，若信号较弱，判断为弱光并输出第二指令，图像传感器接收并响应该指令信息运行于第二模式(通过数字寄存器调节传感器的工作模式)；若信号较强，判断为强光，则维持原来的模式，寄存器值不变。
在一实施方式中，该红外图像传感器工作于第二模式，每次读出相邻的两行，每一列的积分放大器所积分的电流都是相邻两行两列的像素单元的光电流之和，相当于相邻两行两列的像素单元组成了一个4倍大的像素单元。(在其他的实施方式中，可据此方法组成更大的像素单元，如3x3,4x4等)，产生的光电流是单个像素单元的4倍，显著增加了信号灵敏度，改善了弱光下的成像效果。在一实施方式中，控制模块间隔的基于接收的图像信息并判断匹配的工作模式。
需要说明的是，在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
上述实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外图像传感器，其特征在于，所述红外图像传感器包含：
配置成MxN的阵列单元的复数红外像素单元，
M行选通开关，其分别电性连接至匹配的行，
N列选通开关，
其中，列选通开关包括第一列选通开关，第二列选通开关，所述第一列选通开关配置成单触点式，所述第二列选通开关配置成双触点式，且第一列选通开关与第二列选通开关交替的配置，
所述红外图像传感器电性连接控制模块并基于接受的指令运行于第一工作模式或第二工作模式。
2.如权利要求1所述的红外图像传感器，其特征在于，所述第二列选通开关包括:第一触点及第二触点，
所述红外图像传感器运行于第一工作模式时，每次触发一行对应的行选通开关，所述第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性第二触点，使得每个像素单元单独成像。
3.如权利要求2所述的红外图像传感器，其特征在于，
所述红外图像传感器运行于第二工作模式时，每次触发相邻的2行对应的行选通开关，所述第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性第一触点，使得第二列选通开关所处的列与其相邻的所述第一列选通开关所处列电性并联。
4.如权利要求2所述的红外图像传感器，其特征在于，
所述红外图像传感器运行于第二工作模式时，每次触发相邻的多行对应的行选通开关，所述第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性第一触点，使得第二列选通开关所处的列与其相邻的所述第一列选通开关所处列电性并联。
5.如权利要求1所述的红外图像传感器，其特征在于，配置成4x4的阵列单元的红外像素单元，
4行选通开关，其分别电性连接至匹配的行，
交替配置的第一列选通开关及第二列选通开关，所述第二列选通开关包括第一触点及第二触点，
运行于第二模式时，一次触发相邻的两行，第一列选通开关电性导通，所述第二列选通开关电性连接第一触点，所述第二列选通开关所处的列与其前一列电性并联，如此重复直到所有行的信号都被读出。
6.一种红外图像传感器的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取运行模式的指令信息，
接收并响应所述指令信息运行于匹配的模式下，
若接收第一指令，则运行于第一模式，
若接收第二指令，则运行于第二模式，
所述第一模式时，每次一个行选通开关即触发一行，
第一列选通开关电性导通，第二列选通开关配电性连接第二触点。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，
处于第二工作模式，
每次触发相邻的2个或多个行选通开关，即每次触发二行或多行，第一列选通开关电性导通，第二列选通开关配电性连接第一触点。
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述红外图像传感器读出电路首次运行于第一工作模式。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，控制模块基于接收的首次运行的图像信息并判断匹配的工作模式，
若判断运行于第一工作模式，则发出第一指令，
若判断运行于第二工作模式，则发出第二指令。
10.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，控制模块间隔的基于接收的图像信息并判断匹配的工作模式。
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