CN1259796C

CN1259796C - 一种焦平面阵列读出电路及其读出方法

Info

Publication number: CN1259796C
Application number: CN 200310117388
Authority: CN
Inventors: 鲁文高; 陈中建; 高峻; 刘菁; 刘丹; 唐矩; 崔文涛; 吉利久
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: CN1627801A

Abstract

本发明提供了一种焦平面阵列读出电路，包括两组行选控制电路，两组列选控制电路，两组列读出级，两个视频输出级；像素单元Pixel(i，j)通过两个MOS开关管与两条列线相连，Pixel(i，j)在行选控制L产生的行选择信号rs(i)L的控制下与两条列线中的一条相连，该列线与列读出级U相连，并在列选控制U产生的列选择信号col(j)U的控制下与第一视频输出级相连；同时，Pixel(i，j)在行选控制R产生的行选择信号rs(i)R的控制下与两条列线中的另一条相连，该列线与列读出级D相连，并在列选控制D产生的列选择信号col(j)D的控制下与第二视频输出级相连。本发明的焦平面阵列读出电路，可以采用正常模式下的奇偶行并行读出方法，还可以采用窗口模式下的双窗口并行读出方法。

Description

一种焦平面阵列读出电路及其读出方法

技术领域：

本发明属于微电子及光电子领域成像系统读出电路中的读出结构及读出方法

技术领域。

背景技术：

红外、可见光、紫外等成像系统在军事、医学、工农业、天文等许多领域有重要应用，其核心技术是焦平面阵列组件。该组件由探测器和读出电路(ROIC：Read-Out Integrated Circuits)组成。ROIC是影响组件性能与功能的主要因素。

常见的ROIC包括单元电路、列处理级、视频输出级、行控制信号产生、列控制信号产生、其它数字信号产生等几个部分。目前ROIC的阵列规模越来越大，比较常见的规模是320×240、640×480、256×256，还有更大规模的是1024×1024、2048×2048。2048×2048是目前最大规模的焦平面阵列，最近美国的ROCKWELL公司推出的用于太空观测的4096×4096的红外成像仪是由4块相同的HAWAII-2RG 2048×2048MBE HgCdTe焦平面阵列构成。

对于大规模的焦平面阵列ROIC，每幅图片(灰度表示)占用的字节数多得可观，以640×480为例，如果采用12位AD转换输出结果，则每幅图片(灰度表示)的大小为640×480×12/8＝460,800Bytes。如果视频输出级的读出速率为5MHz，采取积分与读出同时进行的方案，并采用双视频输出，则全阵列读出时极限帧速是32.5Hz；若采取积分然后读出的方案，其帧速小于32.5Hz。当帧速为30Hz时，图象数据产生速率为13,824,000Bytes/s，若对一个移动目标进行对于较长时间的观测，其数据存储量将会很大。同时，如果对于高速的移动目标，30Hz的帧速将会丢失该目标相当多的信息而不能实现有效地跟踪。

新型ROIC中，广泛采用了窗口功能。窗口功能是指只将焦平面阵列中的一个子阵列中的信号读出。常见的窗口功能可分为窗口固定、窗口半固定、及窗口可编程等几种。窗口固定是指ROIC只有一种固定大小的窗口可选择；窗口半固定是指ROIC有多种固定大小的窗口可选择，或者一个方向大小固定而另一方向大小可编程；窗口可编程是指窗口的大小可根据实际需要编程设定。窗口固定或半固定的ROIC相对较容易实现，但其使用存在一定的局限性；窗口可编程的ROIC电路实现比较复杂，但是优点是更加灵活。

使用窗口功能，可以实现对高速移动目标的有效跟踪。如视频输出级的读出速率为5MHz，用两个视频输出级读出640×480个像素，帧速仅约为30Hz；若只需读出32×32个像素，帧速可达9KHz；若只需读出50个像素时，帧速更可高达184KHz。这样就可以对高速移动的目标进行精确地定位。

使用窗口功能，另一个好处是每幅图片的存储大小大大降低。如32×32大小的窗口，每幅图片(灰度表示)的大小为32×32×12/8＝1,536Bytes，仅为原来的1.33％。

根据移动目标的大小与速度，合理设置窗口大小及帧速，以保证有效地跟踪目标，同时减少图象数据的存储量。窗口功能可实现对单一移动目标的有效跟踪，但如果成像范围内同时存在两个移动目标，如在军事、天文、工农业等应用时，经常会发生观察区内出现两架飞机、两颗彗星、两辆汽车等情况，这时需要把窗口设置得足够大，使其能够包含这两个目标。如果两个目标间隔比较远，则窗口的大小接近整个阵列的大小，使用窗口功能带来的好处变得不怎么明显。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种焦平面阵列读出电路，不仅可以采用正常模式读出，而且可以采用双窗口并行读出以便能够同时对两个高速移动的目标实现有效跟踪，并且基本上不增加芯片的复杂度。

本发明的又一目的在于提供所述读出电路的读出方法，包括正常模式下的读出方法和双窗口并行模式下的读出方法。

本发明的技术方案如下：

一种焦平面阵列读出电路，包括如下几个部分：

M×N的单元电路阵列，共M列N行，即M×N个像素单元，Pixel(i，j)表示第i行第j列的像素单元，1≤i≤N、1≤j≤M，M、N均为偶数；

两组行选控制电路：行选控制L和行选控制R，分别用于产生行选控制信号rs(i)L和rs(i)R；

两组列选控制电路：列选控制U和列选控制D，分别用于产生列选控制信号col(j)U和col(j)D；

控制逻辑产生电路，用于载入所述焦平面读出电路外的初始控制信号并产生相应的控制逻辑；

偏置电压产生电路，用于产生偏置电压；

两组列读出级：列读出级U和列读出级D；

两个视频输出级：第一视频输出级和第二视频输出级，所述行选控制L和列选控制U控制第一视频输出级的输出，所述行选控制R和列选控制D控制第二视频输出级的输出；

图1示出了本发明的焦平面阵列ROIC的整体框图，图3示出了焦平面阵列ROIC中的像素单元与列读出级、视频输出级的连接关系。像素单元Pixel(i，j)通过两个MOS开关管与两条列线相连，Pixel(i，j)在所述行选控制L产生的行选择信号rs(i)L的控制下与所述两条列线中的一条(左边的)相连，该列线与列读出级U相连，并在所述列选控制U产生的列选择信号col(j)U的控制下与第一视频输出级相连；同时，Pixel(i，j)在所述行选控制R产生的行选择信号rs(i)R的控制下与所述两条列线中的另一条(右边的)相连，该列线与所述列读出级D相连，并在所述列选控制D产生的列选择信号col(j)D的控制下与第二视频输出级相连。以上1≤i≤N、1≤j≤M。

常见的ROIC只有一组行选信号与一组列选信号，最近也有文献报导同一阵列使用两组行选信号与两组列选信号来控制ROIC的工作。但那些ROIC中的两组行选信号是一样的，两组列选信号也是一样的，只是放在阵列的两边，主要起到减少控制线的延迟、降低由于工艺缺陷引起的失效率的作用。本发明的焦平面阵列ROIC中的两组行选信号是不一样的，两组列选信号也是不一样的。ROIC分两路视频输出级输出，其中行选控制L与列选控制U用来控制右上方的第一视频输出级的输出，行选控制R与列选控制D用来控制右下方的第二视频输出级的输出。偏置电压产生电路用来在芯片内部产生偏置电压，从而减小电路的噪声。控制逻辑的产生电路选择从串口或并口载入芯片外的控制信号，产生相应的控制逻辑、控制时序，使ROIC选择工作模式(窗口模式或正常模式)，并设定输出增益、输出帧速、窗口位置、窗口大小等信息。ROIC的主时钟，帧时钟，及串入控制代码等少数几个信号需从外部产生。窗口模式下工作时串入控制代码包含了第一窗口、第二窗口的位置、大小等信息，而第一窗口、第二窗口的位置、大小等信息需要对ROIC的前一帧输出结果进行判断、比较才能得到。必须给这个ROIC配置相应的微处理器、ADC等来实现双窗口并行读出。图2示出了ROIC与ADC、微处理器、BUS等的关系，图中，ROIC的输出经ADC转换送到BUS，并传送到显示设备或者存储器；同时，BUS上的数据传到微处理器进行目标判决，微处理器根据目标的位置、大小、速度等信息来设定窗口的位置、大小，并发送控制指令到ROIC、ADC、BUS。

上述ROIC的读出方法可选择正常模式或窗口模式：

正常模式下，右上的第一视频输出级用来读取阵列中奇数行像素的信息，右下的第二视频输出级用来读取阵列中偶数行像素的信息。行选控制L中的rs(1)L，rs(3)L，……，rs(N-3)L，rs(N-1)L及列选控制U中的col(1)U，col(2)U，……，col(M)U控制奇数行像素的信息从第一视频输出级读出，行选控制L中的rs(2)L，rs(4)L，……，rs(N-2)L，rs(N)L设为低电平使开关管断开，保证偶数行的像素不影响左边的列线；行选控制R中的rs(2)R，rs(4)R，……，rs(N-2)R，rs(N)R及列选控制U中的col(1)D，col(2)D，……，col(M)D控制偶数行像素的信息从第二视频输出级读出，行选控制R中的rs(1)R，rs(3)R，……，rs(N-3)R，rs(N-1)R设为低电平使开关管断开，保证奇数行的像素不影响右边的列线。

电路以一个帧作为重复的工作周期，一帧的时序如图4所示。一帧包括：阵列中N×M个像素单元的信号准备；奇数行选控制信号rs(1)L，rs(3)L，……，rs(N-3)L，rs(N-1)L依次有效，同时偶数行选择控制信号rs(2)R，rs(4)R，……，rs(N-2)R，rs(N)R也依次选通。注意，行选信号rs(2n-1)L与行选信号rs(2n)R同时有效，其它行选信号在此时均设为低电平。以上1≤n≤N/2，N、M均为偶数。

每一行的时序如图5所示。对于奇数行，行选信号rs(2n-1)L有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(1)U，col(2)U，……，col(M)U依次有效，将奇数行信号通过第一视频输出级串行读出；对于偶数行，行选信号rs(2n)R有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(1)D，col(2)D，……，col(M)D依次有效，将偶数行信号通过第二视频输出级串行读出。以上1≤n≤N/2，N、M均为偶数。

窗口模式下，第一视频输出级输出第一窗口对应像素的信息，第二视频输出级输出第二窗口对应像素的信息。前一帧的信息经微处理器处理后，可根据一定的算法确定本帧第一窗口、第二窗口的位置及大小。设第一窗口的位置(起始值)为(N1，M1)，大小为DN1行×DM1列；第二窗口的位置(起始值)为(N2，M2)，大小为DN2行×DM2列。行选控制信号rs(N1)L，rs(N1+1)L，……，rs(N1+DN1)L及列选控制信号col(M1)U，col(M1+1)U，……，col(M1+DM1)U控制第一窗口对应像素的读出；rs(N2)R，rs(N2+1)R，……，rs(N2+DN2)R及col(M2)D，col(M2+1)D，……，col(M2+DM2)D控制第二窗口对应像素的读出。其中N1、M1、DN1、DM1、N2、M2、DN2、DM2均为自然数，且满足关系：N1+DN1≤N，N2+DN2≤N，M1+DM1≤M，M2+DM2≤M。

对于第一窗口或者第二窗口，仍以帧为重复的工作周期。一帧的时序如图6所示。第一窗口的一帧包括：第一窗口中DN1×DM1个像素单元的信号准备；行选控制信号rs(N1)L，rs(N1+1)L，……，rs(N1+DN1-1)L，rs(N1+DN1)L依次有效。第二窗口的一帧包括：第二窗口中DN2×DM2个像素单元的信号准备；行选控制信号rs(N2)R，rs(N1+2)R，……，rs(N2+DN2-1)R，rs(N2+DN2)R依次有效。注意，第一窗口的一帧与第二窗口的一帧没有同步或者其它时序上的相关性。以上N1、DN1、DM1、N2、DN2、DM2均为自然数，且满足关系：N1+DN1≤N，N2+DN2≤N。

每一行的时序如图7所示。对于第一窗口，行选信号rs(h)L有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(M1)U，col(M1+1)U，……，col(M1+DM1)U依次有效，将第一窗口的信号通过第一视频输出级串行读出；对于第二窗口，行选信号rs(k)R有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(M2)D，col(M2+1)D，……，col(M2+DM2)D依次有效，将第二窗口的信号通过第二视频输出级串行读出。其中N1、M1、DN1、DM1、N2、M2、DN2、DM2、h、k均为自然数，且满足关系：N1+DN1≤N，N2+DN2≤N，M1+DM1≤M，M2+DM2≤M，N1≤h≤N1+DN1，N2≤k≤N2+DN2。

本发明的优点和积极效果：本发明的焦平面阵列读出电路，包括两组行选控制和两组列选控制，不仅可以控制正常模式下的奇偶行并行读出，而且可以控制窗口模式下的双窗口并行读出。在双窗口并行读出模式下，本发明的焦平面阵列读出电路能够同时对两个高速移动的目标进行跟踪。

附图说明：

图1为本发明的焦平面阵列ROIC的整体框图。

图2为图1所示ROIC与ADC、微处理器、BUS等的连接关系。

图3为图1所示ROIC中的像素单元与列读出级、视频输出级的连接关系。

图4为图1所示ROIC正常模式时一帧的时序图。

图5为图1所示ROIC正常模式时一帧中某一行的时序图。

图6为图1所示ROIC窗口模式时一帧的时序图。

图7为图1所示ROIC窗口模式时一帧中某一行的时序图。

图8为图1所示ROIC中像素阵列与列读出级、视频输出级的连接。

具体实施方式：

以下给出本发明的焦平面读出阵列的ROIC及其读出方法的一个具体实施例，以对本发明作出详细说明。

本例中的焦平面阵列读出电路使用标准CMOS工艺设计，像素单元的大小为20微米×20微米，阵列规模为640×480。电路包括如下几个部分：640×480的单元电路阵列(共640列480行)、行选控制L的产生电路、行选控制R的产生电路、列选控制U的产生电路、列选控制D的产生电路、其它控制逻辑的产生电路、偏置电压的产生电路、列读出级U、列读出级D、第一视频输出级、第二视频输出级。ROIC中像素阵列与列读出级、视频输出级的连接如图8所示。像素单元Pixel(i，j)通过两个MOS开关管与两条列线相连，Pixel(i，j)在行选控制L产生的行选择信号rs(i)L的控制下与所述两条列线中的一条(左边的)相连，该列线与列读出级U相连，并在列选控制U产生的列选择信号col(j)U的控制下与第一视频输出级相连；同时，Pixel(i，j)在行选控制R产生的行选择信号rs(i)R的控制下与所述两条列线中的另一条(右边的)相连，该列线与列读出级D相连，并在列选控制D产生的列选择信号col(j)D的控制下与第二视频输出级相连。1≤i≤480，1≤j≤640。

ROIC分两路视频输出级输出，其中行选控制L与列选控制U用来控制右上方的第一视频输出级的输出，行选控制R与列选控制D用来控制右下方的第二视频输出级的输出。偏置电压产生电路用来在芯片内部产生偏置电压，从而减小电路的噪声。控制逻辑的产生电路选择从串口或并口载入芯片外的控制信号，产生相应的控制逻辑、控制时序，使ROIC选择工作模式(窗口模式或正常模式)，并设定输出增益、输出帧速、窗口位置、窗口大小等信息。

ROIC的主时钟，帧时钟，及串入控制代码等少数几个信号需从外部产生。窗口模式下工作时串入控制代码包含了第一窗口、第二窗口的位置、大小等信息，而第一窗口、第二窗口的位置、大小等信息必须使用ROIC外的微处理器、ADC等对ROIC前一帧的输出结果进行判断、比较得到。

电路可选择正常模式或窗口模式。

正常模式下，一帧的时序为：阵列中640×480个像素单元的信号准备；奇数行选控制信号rs(1)L，rs(3)L，……，rs(477)L，rs(479)L依次有效，同时偶数行选择控制信号rs(2)R，rs(4)R，……，rs(478)R，rs(480)R也依次选通。每一行的时序为：对于奇数行，行选信号rs(2n-1)L有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(1)U，col(2)U，……，col(640)U依次有效，将奇数行信号通过第一视频输出级串行读出；对于偶数行，行选信号rs(2n)R有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(1)D，col(2)D，……，col(640)D依次有效，将偶数行信号通过第二视频输出级串行读出；1≤n≤240。

窗口模式下，第一视频输出级输出第一窗口对应像素的信息，第二视频输出级输出第二窗口对应像素的信息。前一帧的信息经微处理器处理后，可根据一定的算法确定本帧第一窗口、第二窗口的位置及大小。设第一窗口的位置(起始值)为(N1，M1)，大小为DN1行×DM1列；第二窗口的位置(起始值)为(N2，M2)，大小为DN2行×DM2列。第一窗口的一帧的时序为：第一窗口中DN1×DM1个像素单元的信号准备；行选控制信号rs(N1)L，rs(N1+1)L，……，rs(N1+DN1-1)L，rs(N1+DN1)L依次有效。第二窗口的一帧的时序为：第二窗口中DN2×DM2个像素单元的信号准备；行选控制信号rs(N2)R，rs(N1+2)R，……，rs(N2+DN2-1)R，rs(N2+DN2)R依次有效。第一窗口的每一行的时序为：行选信号rs(h)L有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(M1)U，col(M1+1)U，……，col(M1+DM1)U依次有效，将第一窗口的信号通过第一视频输出级串行读出。第二窗口每一行的时序为：行选信号rs(k)R有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(M2)D，col(M2+1)D，……，col(M2+DM2)D依次有效，将第二窗口的信号通过第二视频输出级串行读出。以上N1、M1、DN1、DM1、N2、M2、DN2、DM2、h、k均为自然数，且满足关系：N1+DN1≤480，N2+DN2≤480，M1+DM1≤640，M2+DM2≤640，N1≤h≤N1+DN1，N2≤k≤N2+DN2。

Claims

1.一种焦平面阵列读出电路，其特征在于包括如下几个部分：

M×N的单元电路阵列，共M列N行，即M×N个像素单元，Pixel(i，j)表示第i行第j列的像素单元，1≤i≤N、1≤j≤M，其中，M、N均为偶数，i、j均为自然数；

偏置电压产生电路，用于产生偏置电压；

两组列读出级：列读出级U和列读出级D；

对于所述M×N的单元电路阵列，像素单元Pixel(i，j)通过两个MOS开关管与两条列线相连，Pixel(i，j)在所述行选控制L产生的行选择信号rs(i)L的控制下与所述两条列线中的一条相连，该列线与列读出级U相连，并在所述列选控制U产生的列选择信号col(j)U的控制下与第一视频输出级相连；同时，Pixel(i，j)在所述行选控制R产生的行选择信号rs(i)R的控制下与所述两条列线中的另一条

相连，该列线与所述列读出级D相连，并在所述列选控制D产生的列选择信号col(j)D的控制下与第二视频输出级相连。

2.一种如权利要求1中所述的焦平面阵列读出电路的读出方法，其特征在于采用正常模式读出，具体如下：

所述的第一视频输出级用来读取所述单元电路阵列中奇数行像素的信息，所述第二视频输出级用来读取所述单元电路阵列中偶数行像素的信息；

电路以一个帧作为重复的工作周期，一帧包括：阵列中M×N个像素单元的信号准备；奇数行选控制信号rs(1)L，rs(3)L，……，rs(N-3)L，rs(N-1)L依次有效，同时偶数行选择控制信号rs(2)R，rs(4)R，……，rs(N-2)R，rs(N)R也依次选通；行选信号rs(2n-1)L与行选信号rs(2n)R同时有效，其它行选信号在此时均设为低电平，1≤n≤N/2；

每一行的时序如下：对于奇数行，行选信号rs(2n-1)L有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(1)U，col(2)U，……，col(M)U依次有效，将奇数行信号通过第一视频输出级串行读出；对于偶数行，行选信号rs(2n)R有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(1)D，col(2)D，……，col(M)D依次有效，将偶数行信号通过第二视频输出级串行读出；以上1≤n≤N/2。

3.一种如权利要求1中所述的焦平面阵列读出电路的读出方法，其特征在于采用双窗口并行读出方式，具体如下：

所述第一视频输出级输出第一窗口对应像素的信息，所述第二视频输出级输出第二窗口对应像素的信息；根据前一帧的信息确定本帧第一窗口、第二窗口的位置及大小：第一窗口起始位置(N1，M1)，大小DN1×DM1；第二窗口起始位置(N2，M2)，大小DN2×DM2；

对于第一窗口或者第二窗口，以帧为重复的工作周期；第一窗口的一帧包括：第一窗口中DN1×DM1个像素单元的信号准备，行选控制信号rs(N1)L、rs(N1+1)L、……、rs(N1+DN1-1)L、rs(N1+DN1)L依次有效；第二窗口的一帧包括：第二窗口中DN2×DM2个像素单元的信号准备，行选控制信号rs(N2)R、rs(N2+2)R、……、rs(N2+DN2-1)R、rs(N2+DN2)R依次有效；对于第一窗口，行选信号rs(h)L有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(M1)U，col(M1+1)U，……，col(M1+DM1)U依次有效，将第一窗口的信号通过第一视频输出级串行读出；对于第二窗口，行选信号rs(k)R有效后，该行的像素中的信号转移到列读出级，然后列选信号col(M2)D，col(M2+1)D，……，col(M2+DM2)D依次有效，将第二窗口的信号通过第二视频输出级串行读出；其中，N1、M1、DN1、DM1、N2、M2、DN2、DM2、h、k均为自然数，且满足关系：N1+DN1≤N，N2+DN2≤N，M1+DM1≤M，M2+DM2≤M，N1≤h≤N1+DN1，N2≤k≤N2+DN2。