RU2529768C1 - Reading device for multielement infrared photodetectors - Google Patents
Reading device for multielement infrared photodetectors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2529768C1 RU2529768C1 RU2013109904/08A RU2013109904A RU2529768C1 RU 2529768 C1 RU2529768 C1 RU 2529768C1 RU 2013109904/08 A RU2013109904/08 A RU 2013109904/08A RU 2013109904 A RU2013109904 A RU 2013109904A RU 2529768 C1 RU2529768 C1 RU 2529768C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bus
- output
- input
- read
- column
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Техническое решение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.The technical solution relates to the field of integrated microelectronics and can be used in optical information processing systems.
Известно устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (патент РФ №2282270 на изобретение, МПК: 8 H01L 27/14), обеспечивающее определение дальности до объектов на основе измерения временной задержки отраженных сигналов от индивидуальных импульсов лазерной подсветки. Устройство выполнено на полупроводниковой подложке, представляет собой многоканальную систему считывания в составе матрицы ячеек считывания, причем каждая ячейка считывания содержит усилитель, фильтр высоких частот, один из входов которого соединен с фотоприемником, а другой - со входом усилителя. В числе конструктивных элементов устройство содержит слой диэлектрика, МДП-затвор, МДП-транзистор, усилитель, источник постоянного напряжения, два генератора импульсов. Исток МДП-транзистора соединен с МДП-затвором, сток - с источником постоянного напряжения, затвор - с одним генератором импульсов. Подложка соединена с другим генератором импульсов. Вход усилителя подключен к МДП-затвору. Устройство дополнительно снабжено сопротивлением, один конец которого соединен с МДП-затвором, а другой конец - с источником постоянного напряжения.A reader is known for multi-element photodetectors of infrared radiation (RF patent No. 2282270 for an invention, IPC: 8 H01L 27/14), which determines the distance to objects based on measuring the time delay of reflected signals from individual pulses of laser illumination. The device is made on a semiconductor substrate, it is a multi-channel reading system as part of a matrix of reading cells, each reading cell containing an amplifier, a high-pass filter, one of the inputs of which is connected to a photodetector, and the other to the input of the amplifier. Among the structural elements, the device contains a dielectric layer, an MOS gate, an MIS transistor, an amplifier, a constant voltage source, and two pulse generators. The source of the MOS transistor is connected to the MOS gate, the drain to a constant voltage source, and the gate to a single pulse generator. The substrate is connected to another pulse generator. The input of the amplifier is connected to the MIS gate. The device is additionally equipped with a resistance, one end of which is connected to the MIS gate, and the other end to a constant voltage source.
Наличие в устройстве RC-фильтра высоких частот позволяет подавить постоянные или медленно меняющиеся компоненты сигналов и тем самым значительно увеличить динамический диапазон фотоприемного устройства (ФПУ). Подавление низкочастотных компонент сигналов позволяет выделить высокочастотные компоненты оптических сигналов, полученных при отражении импульса лазерного излучения - подсветки, в условиях низкой контрастности изображения. Например, в инфракрасных (ИК) системах измерения дальности до объектов.The presence of a high-frequency RC filter in the device allows you to suppress constant or slowly changing signal components and thereby significantly increase the dynamic range of the photodetector (FPU). Suppression of the low-frequency components of the signals makes it possible to isolate the high-frequency components of the optical signals obtained by reflecting a laser pulse - backlight, in conditions of low image contrast. For example, in infrared (IR) systems for measuring the distance to objects.
К недостаткам приведенного устройства считывания относится невозможность повышения точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Данное устройство не обеспечивает возможности получения тепловизионного изображения.The disadvantages of this reader include the impossibility of increasing the accuracy of determining the range to objects in one frame at the same time as obtaining a thermal image. This device does not provide the ability to obtain a thermal image.
Известно устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (F.Guelleec, M.Tchagaspanian, Е. de Borniol, et. al., «Advanced pixel design for infrared LADAR imaging)), Proc.of SPIE, Vol.6940, 69402M, (2008), Fig.l), выполненное на полупроводниковой подложке, представляющее собой многоканальную систему считывания в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения. Каждая ячейка содержит емкостной трансимпедансный усилитель, компаратор, два логических блока, две строчные шины управления, две столбцовые шины считывания. Канал считывания тепловизионного сигнала сформирован трансимпедансным усилителем, первой столбцовой шиной считывания, первой строчной шиной управления, канал измерения дальности до объектов изображения - трансимпедансным усилителем, компаратором, двумя логическими блоками, второй столбцовой шиной считывания, первой и второй строчными шинами управления. С входом емкостного трансимпедансного усилителя соединен фотодиод. Выход емкостного трансимпедансного усилителя соединен с первой столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи тепловизионного изображения, и с инвертирующим входом компаратора. Выход компаратора соединен с входом первого логического блока «Lock». Первый выход первого логического блока «Lock» соединен с входом второго логического блока «Track&Hold», первый выход которого соединен с второй столбцовой шиной считывания разрядностью N, предназначенной для передачи информация о дальности до объектов изображения, а второй выход - с второй строчной шиной управления «Time base». Второй выход первого логического блока «Lock» соединен с первой строчной шиной управления «Reset». Трансимпедансный услитель выполнен в составе операционного усилителя с неинвертирующим входом и инвертирующим входом, являющимся входом емкостного трансимпедансного усилителя, соединенным с фотодиодом, двух емкостей и замыкающего ключа «Reset». Параллельно операционному усилителю подключены две емкости C2D и C3D, одними концами указанные емкости соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, соединенным с фотодиодом, а вторыми концами - с выходом операционного усилителя, являющимся выходом трансимпедансного усилителя. Емкость C2D выполнена с возможность включения/отключения путем подачи с первого выхода первого логического блока «Lock» управляющего напряжения на управляющий затвор ключа. Кроме того, инвертирующий вход операционного усилителя, являющийся входом емкостного трансимпедансного усилителя, соединен с одним концом замыкающего ключа «Reset», второй конец которого соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом трансимпедансного усилителя, а третий конец - с первой строчной шиной управления «Reset». Емкость C2D выполнена с возможность включения/отключения путем подачи с первого выхода первого логического блока «Lock» управляющего напряжения на затвор ключа.A reader is known for multi-element infrared photodetectors (F. Guelleec, M. Tchagaspanian, E. de Borniol, et. Al., "Advanced pixel design for infrared LADAR imaging)), Proc.of SPIE, Vol.6940, 69402M, ( 2008), Fig.l), made on a semiconductor substrate, which is a multi-channel reading system consisting of an array of reading cells in m × n format with reading channels of a thermal imaging signal and measuring the distance to image objects. Each cell contains a capacitive transimpedance amplifier, a comparator, two logic units, two line control buses, two column read buses. The reading channel of the thermal imaging signal is formed by a transimpedance amplifier, the first column reading bus, the first lowercase control bus, the channel for measuring the distance to image objects is a transimpedance amplifier, a comparator, two logic units, the second column reading bus, the first and second lowercase control buses. A photodiode is connected to the input of the capacitive transimpedance amplifier. The output of the capacitive transimpedance amplifier is connected to the first column reading bus, designed to transmit a thermal image, and to the inverting input of the comparator. The output of the comparator is connected to the input of the first logic block "Lock". The first output of the first logical unit “Lock” is connected to the input of the second logical unit “Track & Hold”, the first output of which is connected to the second column bus for reading bit N, designed to transmit information about the distance to the image objects, and the second output to the second lowercase control bus “ Time base. " The second output of the first logic block "Lock" is connected to the first line control bus "Reset". The transimpedance amplifier is made up of an operational amplifier with a non-inverting input and an inverting input, which is an input of a capacitive transimpedance amplifier connected to a photodiode, two capacitors, and a Reset key. In parallel to the operational amplifier, two capacitances C 2D and C 3D are connected, at one end these capacitances are connected to the inverting input of the operational amplifier connected to the photodiode, and the second ends to the output of the operational amplifier, which is the output of the transimpedance amplifier. Capacity C 2D is configured to enable / disable by applying from the first output of the first logical unit "Lock" control voltage to the control gate of the key. In addition, the inverting input of the operational amplifier, which is the input of the capacitive transimpedance amplifier, is connected to one end of the Reset key, the second end of which is connected to the output of the operational amplifier, which is the output of the transimpedance amplifier, and the third end is connected to the first line control bus “Reset” . Capacitance C 2D is configured to enable / disable by applying a control voltage to the key gate from the first output of the first logical “Lock” block.
Устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения является устройством с реализацией функции формирования активных трехмерных изображений.A reader for infrared multi-element photodetectors is a device with the implementation of the function of forming active three-dimensional images.
Известное устройство работает следующим образом.The known device operates as follows.
Получение данных о дальности до объектов производится при отключенной емкости C2D. На неинвертирующий вход компаратора подается линейно нарастающее напряжение Vth, синхронизированное с импульсом «Reset». Лазерная подсветка осуществляется в импульсном режиме, синхронизированном с управляющим импульсом «Reset». При совпадении уровней сигналов на входах компаратора происходит изменение состояния на его выходе, что позволяет фиксировать время прихода отраженного света лазерной подсветки и, соответственно, определить дальность до объекта изображения. После получения данных о дальности объекта на выходе логического блока «Lock» формируется управляющее напряжение, поступающее на управляющий затвор ключа, и в цепь обратной связи подключается емкость C2D. Проводится второй цикл считывания сигнала. На выходе емкостного трансимпедансного усилителя формируется тепловизионное изображение и подается на первую столбцовую шину считывания.Obtaining data on the distance to objects is performed when the capacity C 2D is disabled. A linearly increasing voltage V th synchronized with the “Reset” pulse is applied to the non-inverting input of the comparator. Laser illumination is carried out in a pulsed mode synchronized with the “Reset” control pulse. When the signal levels coincide at the inputs of the comparator, a change in state occurs at its output, which allows you to record the time of arrival of the reflected light of the laser backlight and, accordingly, determine the distance to the image object. After receiving information about the range of the object, the control voltage is generated at the output of the “Lock” logic block, which is supplied to the control gate of the key, and the capacitance C 2D is connected to the feedback circuit. A second signal reading cycle is performed. A thermal imaging image is formed at the output of the capacitive transimpedance amplifier and fed to the first column read bus.
К недостаткам второго приведенного устройства считывания относится невозможность повышения точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Причины заключаются в следующем.The disadvantages of the second reader shown include the impossibility of increasing the accuracy of determining the range to objects in one frame at the same time as obtaining a thermal image. The reasons are as follows.
Получение данных о дальности до объектов и тепловизионного изображения выполняется в отдельных циклах считывания, не одновременно, что обусловлено следующим. Уровень отраженных оптических сигналов значительно, на несколько порядков величины, меньше уровня фонового излучения. Поскольку зарядовая емкость трансимпедансного усилителя пропорциональна емкости в цепи обратной связи, а коэффициент преобразования обратно пропорционален этой емкости, поэтому для получения тепловизионного изображения необходимо включить емкость C2D. Однако при подключении емкости C2D величина напряжения на выходе трансимпедансного усилителя становится недостаточной для срабатывания компаратора. В связи с этим для получения данных о дальности необходим дополнительный цикл считывания с отключенной емкостью C2D, при этом для емкостей C2D, C3D должно выполняться соотношение C2D»C3D.Obtaining data on the distance to objects and a thermal imaging image is performed in separate reading cycles, not simultaneously, due to the following. The level of reflected optical signals is significantly, by several orders of magnitude, less than the level of background radiation. Since the charge capacitance of the transimpedance amplifier is proportional to the capacitance in the feedback circuit, and the conversion coefficient is inversely proportional to this capacitance, therefore, to obtain a thermal imaging image, you must turn on the capacitance C 2D . However, when the capacitance C 2D is connected, the voltage at the output of the transimpedance amplifier becomes insufficient for the comparator to operate. In this regard, to obtain data on the range, an additional reading cycle is required with the capacitance C 2D disabled, and for capacities C 2D , C 3D , the ratio C 2D »C 3D must be fulfilled.
Кроме того, точность определения дальности определяется разрядностью логических блоков (блоков «Lock», «Track&Hold»), из-за ограниченной площади ячейки считывания сложно обеспечить требуемую разрядность этих блоков. К тому же с увеличением разрядности счетчика во входной ячейке устройства считывания возрастает количество столбцовых шин считывания.In addition, the accuracy of determining the range is determined by the capacity of the logic blocks (Lock, Track & Hold blocks), due to the limited area of the read cell, it is difficult to provide the required capacity of these blocks. In addition, with an increase in the capacity of the counter in the input cell of the reader, the number of column buses of the reader increases.
В качестве ближайшего аналога взято устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (F.Guelleec, M.Tchagaspanian, Е. de Borniol, et. al., «Advanced pixel design for infrared LADAR imaging)), Proc.of SPIE, Vol.6940, 69402M, (2008), Fig.3), выполненное на полупроводниковой подложке, представляющее собой многоканальную систему считывания в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения, формирующее как тепловизионное изображение в ИК-области спектра, так и трехмерное изображение на основе измерения временной задержки отраженных оптических сигналов от индивидуального импульса лазерной подсветки. Каждая ячейка считывания содержит прямоинжекционный узел ввода с буферным предусилителем, динамическое токовое зеркало с двумя выходами, усилитель, соединительную емкость, являющуюся фильтром высоких частот, компаратор, три логических блока, две строчные шины управления, две столбцовые шины считывания. С входом прямоинжекционного узла ввода с буферным предусилителем соединен фотодиод. Выход прямоинжекционного узла ввода с буферным предусилителем соединен с входом динамического токового зеркала, один выход которого соединен с первой столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи тепловизионного изображения, а второй выход - с входом усилителя, преобразующего ток в напряжение. Выход усилителя соединен с одной из обкладок соединительной емкости, являющейся фильтром высоких частот, другая обкладка которой соединена с инвертирующим входом компаратора. Выход компаратора соединен с входом первого логического блока «Lock». Первый выход первого логического блока «Lock» соединен с входом второго логического блока «Track&Hold», первый выход которого соединен с второй столбцовой шиной считывания разрядностью N, предназначенной для передачи информация о дальности до объектов изображения, а второй выход - с второй строчной шиной управления «Time base». Кроме того, первый выход первого логического блока «Lock» соединен с входом третьего логического блока integration control)). Второй вход первого логического блока «Lock» соединен с первой строчной шиной управления «Reset». Первый и второй выходы третьего логического блока integration control)) снабжены ключами. A reader for multi-element infrared photodetectors (F. Guelleec, M.Tchagaspanian, E. de Borniol, et. Al., “Advanced pixel design for infrared LADAR imaging)”, Proc.of SPIE, Vol.6940 is taken as the closest analogue , 69402M, (2008), Fig. 3), made on a semiconductor substrate, which is a multichannel reading system consisting of a matrix of reading cells in m × n format with reading channels for a thermal imaging signal and measuring the distance to image objects, forming as a thermal image in IR spectral region and three-dimensional image based on measuring the time delay of the reflected optical signals from an individual laser pulse. Each readout cell contains a direct injection input unit with a buffer preamplifier, a dynamic current mirror with two outputs, an amplifier, a connecting capacitance, which is a high-pass filter, a comparator, three logic blocks, two line control buses, two column read buses. A photodiode is connected to the input of the direct injection injection unit with a buffer preamplifier. The output of the direct injection input unit with a buffer preamplifier is connected to the input of a dynamic current mirror, one output of which is connected to the first column read bus, designed to transmit a thermal image, and the second output to the input of an amplifier that converts current to voltage. The output of the amplifier is connected to one of the plates of the connecting capacitance, which is a high-pass filter, the other plate of which is connected to the inverting input of the comparator. The output of the comparator is connected to the input of the first logic block "Lock". The first output of the first logical unit “Lock” is connected to the input of the second logical unit “Track & Hold”, the first output of which is connected to the second column bus for reading bit N, designed to transmit information about the distance to the image objects, and the second output to the second lowercase control bus “ Time base. " In addition, the first output of the first logic block “Lock” is connected to the input of the third logical block integration control)). The second input of the first logic block "Lock" is connected to the first line control bus "Reset". The first and second outputs of the third logical block integration control)) are provided with keys.
Ключи выполнены с реализацией следующих двух возможностей. Первая возможность - первый выход третьего логического блока integration control)) посредством первого ключа соединен с первой обкладкой емкости, при этом второй выход третьего логического блока integration control)) посредством второго ключа соединен с второй обкладкой емкости, вторая обкладка емкости соединена с точкой «земли». Другая возможность - посредством второго ключа обкладки емкости соединены друг с другом, при этом первая обкладка посредством первого ключа соединена с первым выходом токового зеркала. Кроме того, первая обкладка соединена с первой столбцовой шиной считывания.The keys are implemented with the implementation of the following two possibilities. The first option is the first output of the third logical unit of integration control)) through the first key is connected to the first capacitance lid, while the second output of the third logical unit of integration control)) is connected via the second key to the second capacitance lid, the second capacitance lid is connected to the ground . Another possibility is that, by means of a second key, the capacitance plates are connected to each other, while the first plate is connected via the first key to the first output of the current mirror. In addition, the first plate is connected to the first column reading bus.
Усилитель, соединительная емкость, являющаяся фильтром высокой частоты, компаратор, три логических блока, вторая столбцовая шина считывания, две строчные шины управления образуют канал формирования данных о дальности объектов изображения. Усилитель, токовое зеркало, емкость, замыкающие ключи, управляющая строчная шина «Reset», первая столбцовая шина считывания образуют тепловизионный канал.An amplifier, a connecting capacitance, which is a high-pass filter, a comparator, three logic blocks, a second column read bus, two line control buses form a channel for generating data on the range of image objects. An amplifier, a current mirror, a capacitance, short-circuit keys, a Reset control line bus, and a first read column bus form a thermal imaging channel.
Как и второй вышеприведенный аналог рассмотренное устройство относится к устройствам с реализацией функции формирования активных трехмерных изображений. Like the second analogue above, the considered device relates to devices with the implementation of the function of forming active three-dimensional images.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Тепловизионное изображение формируется интегрированием тока с второго выхода динамического токового зеркала на емкости при замыкании ключей, управляемых управляющими напряжениями, поступающими по строчной шине «Reset». Данные о дальности объектов формируются в цепи выхода динамического токового зеркала, содержащей предусилитель, соединительную емкость, выполняющую функцию фильтра высокой частоты, компаратор, выход которого соединен с входом одного из трех логических блоков, и далее соединяющейся со второй столбцовой шиной считывания. Логические блоки управляются напряжениями, поступающими по строчным шинам «Reset», «Time base», обеспечивают измерение временной задержки прихода отраженных оптических сигналов лазерной подсветки в импульсном режиме.The thermal image is formed by integrating the current from the second output of the dynamic current mirror onto the capacitance when the keys are closed, controlled by the control voltages supplied via the Reset line bus. Data on the range of objects is generated in the output circuit of a dynamic current mirror containing a preamplifier, a connecting capacitor that acts as a high-pass filter, a comparator, the output of which is connected to the input of one of the three logic blocks, and then connected to the second column read bus. Logic blocks are controlled by the voltages supplied through the line buses “Reset”, “Time base”, they provide a measurement of the time delay of the arrival of reflected optical signals of laser illumination in a pulsed mode.
К недостаткам ближайшего аналога относится невозможность повышения точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Причины заключаются в следующем.The disadvantages of the closest analogue include the impossibility of increasing the accuracy of determining the range to objects in one frame at the same time as obtaining a thermal image. The reasons are as follows.
Во-первых, использование прямоинжекционного узла ввода с буферным предусилителем и динамическим токовым зеркалом в сочетании с тем, что тепловизионный сигнал и сигнал, поступающий в канал формирования данных о дальности до объектов изображения, поступают с разных выходов динамического токового зеркала, имеющих разброс передаточных характеристик, что приводит к снижению точности определения дальности до объектов изображения. Кроме того, в такой структурной схеме необходимо использовать дополнительный усилитель, преобразующий ток в напряжение. Сигнал с усилителя подается на одну из обкладок соединительной емкости, являющейся составной частью фильтра высоких частот. Далее сигнал с выхода фильтра высокой частоты поступает на вход компаратора без дополнительного усиления, что ограничивает чувствительность канала формирования информации о дальности до объектов изображения.Firstly, the use of a direct injection input unit with a buffer preamplifier and a dynamic current mirror in combination with the fact that the thermal imaging signal and the signal entering the channel for generating data on the distance to image objects come from different outputs of the dynamic current mirror having a spread in the transfer characteristics, which leads to a decrease in the accuracy of determining the range to image objects. In addition, in such a structural scheme, it is necessary to use an additional amplifier that converts current to voltage. The signal from the amplifier is fed to one of the plates of the connecting capacitance, which is an integral part of the high-pass filter. Next, the signal from the output of the high-pass filter is fed to the input of the comparator without additional amplification, which limits the sensitivity of the channel for generating information about the distance to image objects.
Во-вторых, точность определения дальности задается разрядностью логических блоков (блоков «Lock», «Track&HoId»). Из-за ограниченной площади ячейки считывания сложно обеспечить требуемую разрядность этих блоков, разместить в ячейке прямоинжекционное устройство считывания с буферным предусилителем и динамическим токовым зеркалом с дополнительным выходом, усилитель для преобразования тока с выхода динамического зеркала в напряжение. Кроме того, с увеличением разрядности возрастает количество столбцовых шин считывания в ячейке устройства.Secondly, the accuracy of determining the range is determined by the capacity of the logical blocks (blocks "Lock", "Track & HoId"). Due to the limited area of the reading cell, it is difficult to provide the required bit depth of these blocks, to place a direct injection reader with a buffer preamplifier and a dynamic current mirror with an additional output in the cell, an amplifier for converting the current from the output of the dynamic mirror to voltage. In addition, with increasing bit depth, the number of read column buses in the device cell increases.
Техническим результатом решения является повышение точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения.The technical result of the solution is to increase the accuracy of determining the range to objects in one frame simultaneously with obtaining a thermal image.
Технический результат достигается в устройстве считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения, содержащем многоканальную систему считывания с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n, первой и второй строчных шин управления, а также первой и второй столбцовых шин считывания, предназначенных, соответственно, для передачи тепловизионного изображения и для передачи информация о дальности до объектов изображения, в ячейке считывания выполнены непосредственно усилитель, фильтр высоких частот, компаратор, также в ячейке считывания выполнен трансимпедансный усилитель, управляющий вход которого соединен с второй строчной шиной управления, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом, а неинвертирующий вход предназначен для подачи постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде, выход трансимпедансного усилителя соединен с первой столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи тепловизионного изображения, вторая строчная шина управления соединена с выходом управляемого М-разрядного строчного счетчика, вход которого соединен с первой строчной шиной управления, канал считывания тепловизионного сигнала образован трансимпедансным усилителем и первой столбцовой шиной считывания, кроме того, выход трансимпедансного усилителя соединен с входом фильтра высокой частоты, выход которого соединен с входом усилителя, выход усилителя связан с инвертирующим входом компаратора, а неинвертирующий вход компаратора предназначен для подачи постоянного напряжения смещения, выход компаратора соединен со счетным входом выполненного в ячейке считывания N-разрядного счетчика и с инвертирующим входом выполненного в ячейке считывания логического элемента «И», неинвертирующий вход логического элемента «И» соединен с управляющим входом N-разрядного счетчика и с первой строчной шиной управления, выход N- разрядного счетчика соединен с второй столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи информация о дальности до объектов изображения, выход логического элемента «И» соединен с третьей столбцовой шиной считывания, предназначенной для определения времени прихода отраженного импульса лазерной подсветки в промежутке между i и i+1 импульсами, поступающими по первой строчной шине управления, при этом канал измерения дальности до объектов изображения образован трансимпедансным усилителем, фильтром высокой частоты, усилителем, компаратором, N-разрядным счетчиком, логическим элементом «И», второй столбцовой шиной считывания, третьей столбцовой шиной считывания, первая и вторая строчные шины управления, управляемый M-разрядный строчный счетчик выполнены общими для строк ячеек считывания, первая, вторая и третья столбцовые шины считывания выполнены общими для столбца ячеек считывания.The technical result is achieved in a reading device for multi-element infrared photodetectors, comprising a multi-channel reading system with reading channels of a thermal imaging signal and measuring distances to image objects as part of an array of reading cells in m × n format, the first and second horizontal control buses, as well as the first and second column buses reading buses intended, respectively, for transmitting a thermal image and for transmitting information about the distance to image objects, in an amplifier, a high-pass filter, a comparator are made directly in the readout cell, also a transimpedance amplifier is made in the readout cell, the control input of which is connected to the second line control bus, the inverting input is used to connect to the photodiode, and the non-inverting input is used to supply a constant voltage that determines the bias voltage on a photodiode, the output of the transimpedance amplifier is connected to the first column read bus, designed to transmit thermal imaging The second line of the control bus is connected to the output of the controlled M-bit line counter, the input of which is connected to the first line of the control bus, the read channel of the thermal imaging signal is formed by the transimpedance amplifier and the first column read bus, in addition, the output of the transimpedance amplifier is connected to the input of the high-pass filter the output of which is connected to the input of the amplifier, the output of the amplifier is connected to the inverting input of the comparator, and the non-inverting input of the comparator is designed to supply of the fixed bias voltage, the output of the comparator is connected to the counting input of the N-bit counter made in the read cell and to the inverting input of the logical element “I” made in the read cell, the non-inverting input of the logical element “I” is connected to the control input of the N-bit counter and to the first horizontal control bus, the output of the N-bit counter is connected to the second column read bus, designed to transmit information about the distance to image objects, the output of the logical element "And" inen with a third column read bus, designed to determine the arrival time of the reflected laser illumination pulse in the interval between i and i + 1 pulses arriving on the first line control bus, while the channel for measuring the distance to image objects is formed by a transimpedance amplifier, a high-pass filter, an amplifier , a comparator, an N-bit counter, an AND gate, a second column read bus, a third column read bus, the first and second line control buses, control emy M-bit line counter made common to the read lines of cells, the first, second and third read the column bus made common to the read column cells.
В устройстве считывания третий трансимпедансный усилитель выполнен в составе операционного усилителя, емкости, одна из обкладок которой соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, являющимся инвертирующим входом трансимпедансного усилителя, а другая обкладка - с выходом операционного усилителя, являющимся выходом трансимпедансного усилителя, ключа, одним выходом соединенного с инвертирующим входом операционного усилителя, а другим выходом - с выходом операционного усилителя, и управляющим входом, соединенным с второй строчной шиной управления и являющимся управляющим входом трансимпедансного усилителя, с возможностью подачи на неинвертирующий вход операционного усилителя, являющегося неинвертирующим входом трансимпедансного усилителя, постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом.In the reader, the third transimpedance amplifier is made up of an operational amplifier, a capacitance, one of the plates of which is connected to the inverting input of the operational amplifier, which is the inverting input of the transimpedance amplifier, and the other plate is with the output of the operational amplifier, which is the output of the transimpedance amplifier, a key, one output of the connected with an inverting input of the operational amplifier, and another output with the output of the operational amplifier, and a control input connected to the second horizontal control bus and which is the control input of the transimpedance amplifier, with the possibility of applying to the non-inverting input of the operational amplifier, which is the non-inverting input of the transimpedance amplifier, a constant voltage that determines the bias voltage on the photodiode, the inverting input is designed to connect to the photodiode.
В устройстве считывания третья вторая строчная шина управления выполнена как M-разрядная строчная шина управления, вторая столбцовая шина считывания выполнена как N-разрядная столбцовая шина считывания.In the reader, the third second line control bus is made as an M-bit line control bus, the second column read bus is made as an N-bit column read bus.
В устройстве считывания третья столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с одним входом логического элемента «И» ячейки мультиплексора, другой вход которого соединен с первой строчной шиной управления, которая выполнена распараллеленной, выход логического элемента «И» ячейки мультиплексора соединен с второй M-разрядной выходной шиной мультиплексора, вторая столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с третьей N-разрядной выходной шиной мультиплексора, первая столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с входом канала считывания ячейки мультиплексора, выход которого соединен с первой выходной шиной мультиплексора.In the reader, the third column reading bus is configured to connect to one input of the logic element “AND” of the multiplexer cell, the other input of which is connected to the first line control bus, which is parallelized, the output of the logic element “AND” of the cell of the multiplexer is connected to the second M-bit output bus of the multiplexer, the second column bus read made with the possibility of connection with the third N-bit output bus of the multiplexer, the first column bus read ene connectable to the input of the read channel multiplexer cell, whose output is connected to first output multiplexer bus.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и чертежом.The essence of the technical solution is illustrated by the following description and drawing.
На чертеже представлена схема устройства считывания, а также схематически показаны элементы, не относящиеся непосредственно к конструкции устройства, - фотодиод и элементы мультиплексора, где 1 - фотодиод (ФД); 2 - контакт к базовой области фотодиода; 3 - операционный усилитель (ОУ); 4 - неинвертирующий вход операционного усилителя (неинвертирующий вход ОУ); 5 - емкость; 6 - ключ; 7 - выход операционного усилителя (выход ОУ); 8 - фильтр высокой частоты (ФВЧ); 9 - усилитель; 10 - компаратор; 11 - неинвертирующий вход компаратора; 12 - N-разрядный счетчик; 13 - счетный вход N-разрядного счетчика; 14 - управляющий вход N-разрядного счетчика; 15 - логический элемент «И» (ЛЭ«И»); 16 и 17 - первый и второй входы логического элемента «И» (ЛЭ«И>>); 18, 19 и 20 - первая, вторая и третья столбцовые шины считывания (СШС); 21 - первая строчная шина управления (СШУ); 22 - управляемый M-разрядный строчный счетчик; 23 - вторая строчная шина управления (СШУ); 24 -логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ); 25 - первый вход логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ); 26 - канал считывания предусилителя ячейки мультиплексора (КСПЯМ); 27 - первая выходная шина мультиплексора (ВШМ); 28 - вторая M-разрядная выходная шина мультиплексора (ВШМ); 29 - третья N-разрядная выходная шина мультиплексора (ВШМ).The drawing shows a diagram of a reader, and also schematically shows elements that are not directly related to the design of the device, a photodiode and multiplexer elements, where 1 is a photodiode (PD); 2 - contact to the base region of the photodiode; 3 - operational amplifier (op amp); 4 - non-inverting input of the operational amplifier (non-inverting input of the op-amp); 5 - capacity; 6 - key; 7 - the output of the operational amplifier (OA output); 8 - high-pass filter (HPF); 9 - amplifier; 10 - a comparator; 11 - non-inverting input of the comparator; 12 - N-bit counter; 13 - counting input N-bit counter; 14 - control input of an N-bit counter; 15 - a logical element “AND” (LE “I”); 16 and 17 - the first and second inputs of the logical element "And" (LE "And >>); 18, 19 and 20 - the first, second and third column reading buses (SSH); 21 - the first line control bus (SSHU); 22 - controlled M-bit line counter; 23 - second line control bus (SSHU); 24 - logical element “I” of the multiplexer cell (LE “I” of the NM); 25 - the first input of the logical element "AND" cell multiplexer (LE "I" NM); 26 - read channel preamplifier cell multiplexer (KSPJM); 27 - the first output bus of the multiplexer (GSM); 28 - second M-bit output bus of the multiplexer (GSM); 29 - the third N-bit output bus of the multiplexer (GSM).
Достижение технического результата в предлагаемом техническом решении (см. чертеж) базируется на конструктивном выполнении устройства считывания, в котором оно содержит M-разрядный строчный счетчик 22 и N-разрядный счетчик 12. Точность определения дальности до объектов изображения определяется разрядностью. Суммарная разрядность двух счетчиков, N-разрядного счетчика 13, размещенного непосредственно в ячейке считывания, и M-разрядного строчного счетчика 22, вход которого соединен с первой строчной шиной управления (СШУ) 21, а выход - со второй строчной шиной управления, обеспечивает более высокую точность определения дальности до объектов изображения:The achievement of the technical result in the proposed technical solution (see the drawing) is based on the design of the reader, in which it contains an M-bit line counter 22 and an N-bit counter 12. The accuracy of determining the distance to image objects is determined by bit depth. The total capacity of two counters, an N-bit counter 13 located directly in the read cell, and an M-bit line counter 22, the input of which is connected to the first line control bus (SSH) 21, and the output - to the second line control bus, provides a higher accuracy of determining the distance to image objects:
Отличительные особенности предлагаемого устройства считывания заключаются в следующем.Distinctive features of the proposed reader are as follows.
Во-первых, сигналы в каналы считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения поступают с одного выхода трансимпедансного усилителя. С выхода компаратора 10 сигнал подается на счетный вход N-разрядного счетчика 12. Это позволяет получать тепловизионное изображение и время задержки прихода отраженных импульсов лазерной подсветки от объекта в едином цикле считывания.Firstly, the signals in the reading channels of the thermal imaging signal and measuring the distance to the image objects come from one output of the transimpedance amplifier. From the output of the comparator 10, the signal is fed to the counting input of the N-bit counter 12. This allows you to get a thermal image and the delay time of arrival of the reflected pulses of the laser illumination from the object in a single reading cycle.
Во-вторых, устройство обеспечивает повышение точности определения дальности до объектов изображения. Так как разрядность и, следовательно, точность определения времени задержки прихода отраженных импульсов лазерной подсветки от объекта наблюдения обуславливается суммарной разрядностью счетчика 12, выполненного с разрядностью N, расположенного в ячейке считывания, и общего для строки ячеек считывания счетчика 22, выполненного с разрядностью M.Secondly, the device provides increased accuracy in determining the range to image objects. Since the bit depth and, therefore, the accuracy of determining the delay time for the arrival of reflected pulses of laser illumination from the observation object is determined by the total bit depth of the counter 12, made with a bit N, located in the read cell, and common to the row of read cells of the counter 22, made with a bit M.
В-третьих, в канале измерения дальности до объектов изображения, конструктивный элемент 22, а также относящиеся к мультиплексору конструктивные элементы 24, 25 (см. Фиг.) являются общими, соответственно, для строки ячеек считывания (M-разрядный счетчик 22), а также столбца ячеек считывания (логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24, канал считывания предусилителя ячейки мультиплексора (КСПЯМ) 26). За счет этого уменьшается количество столбцовых шин считывания (на M разрядов), что в свою очередь обеспечивает возможность уменьшения шага фоточувствительных ячеек (фотодиодов (ФД) 1) и, как следствие, повышение пространственного разрешения и формата многоэлементного ИК ФПУ.Thirdly, in the channel for measuring the distance to image objects, the structural element 22, as well as the structural elements 24, 25 related to the multiplexer (see Fig.) Are common, respectively, for a row of read cells (M-bit counter 22), and also a column of read cells (logical element “AND” of the multiplexer cell (LE “I” NM) 24, the read channel of the preamplifier of the multiplexer cell (KSPYAM) 26). Due to this, the number of read column buses decreases (by M bits), which in turn provides the possibility of decreasing the step of photosensitive cells (photodiodes (PD) 1) and, as a result, increasing the spatial resolution and format of the multi-element IR FPU.
В предлагаемом устройстве считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения реализуется функция формирования активных трехмерных изображений.The proposed reader for multi-element infrared photodetectors implements the function of forming active three-dimensional images.
Устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (см. чертеж) содержит многоканальную систему считывания, в которой реализованы канал считывания тепловизионного сигнала и канал измерения дальности до объектов изображения в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n, первой и второй строчных шин управления, соответственно, 21 и 23, а также первой, второй и третьей столбцовых шины считывании, соответственно, 18,19 и 20, предназначенных, соответственно, для передачи тепловизионного изображения, для передачи информация о дальности до объектов изображения, для определения времени прихода отраженного импульса лазерной подсветки в промежутке между i и i+1 импульсами, поступающими по первой строчной шине управления, и кроме того, управляемого M-разрядного строчного счетчика 22. В ячейке считывания выполнены непосредственно трансимпедансный усилитель, фильтр высоких частот (ФВЧ) 8, усилитель 9, компаратор 10, N-разрядный счетчик 12, логический элемент «И» (ЛЭ«И») 15.The reading device for multi-element infrared photodetectors (see the drawing) contains a multi-channel reading system that implements a reading channel for a thermal imaging signal and a channel for measuring distances to image objects as part of an array of reading cells in m × n format, the first and second horizontal control buses, respectively, 21 and 23, as well as the first, second and third column reading buses, 18.19 and 20, respectively, intended for transmitting a thermal image, for transmitting and formation about the distance to image objects, for determining the time of arrival of the reflected laser illumination pulse in the interval between i and i + 1 pulses arriving on the first line control bus, and in addition, the controlled M-bit line counter 22. In the read cell, the directly transimpedance amplifier, high-pass filter (HPF) 8, amplifier 9, comparator 10, N-bit counter 12, logic element “I” (LE “I”) 15.
Управляющий вход трансимпедансного усилителя соединен с второй строчной шиной управления (СШУ) 23, инвертирующий вход его предназначен для соединения с фотодиодом (ФД) 1, а неинвертирующий вход предназначен для подачи постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде (ФД 1). Выход трансимпедансного усилителя соединен с первой столбцовой шиной считывания (СШС) 18, которая предназначена для передачи тепловизионного изображения. Канал считывания тепловизионного сигнала образован трансимпедансным усилителем и первой столбцовой шиной считывания (СШС) 18. Вторая строчная шина управления (СШУ) 23 соединена с выходом управляемого M-разрядного строчного счетчика 22, вход которого соединен с первой строчной шиной управления (СШУ) 21.The control input of the transimpedance amplifier is connected to the second line control bus (SSH) 23, its inverting input is designed to connect to a photodiode (PD) 1, and the non-inverting input is used to supply a constant voltage that determines the bias voltage on the photodiode (PD 1). The output of the transimpedance amplifier is connected to the first column read bus (SSC) 18, which is designed to transmit a thermal image. The reading channel of the thermal imaging signal is formed by a transimpedance amplifier and the first column reading bus (SSC) 18. The second line control bus (SSH) 23 is connected to the output of the controlled M-bit line counter 22, the input of which is connected to the first line control bus (SSH) 21.
Кроме того, выход трансимпедансного усилителя соединен с входом фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8, выход которого соединен с входом усилителя 9. Выход усилителя связан с инвертирующим входом компаратора 10, а неинвертирующий вход 11 компаратора 10 предназначен для подачи постоянного напряжения смещения. Выход компаратора 10 соединен со счетным входом 13 N-разрядного счетчика 12 и с инвертирующим входом 16 логического элемента «И» 15. Вход 17 логического элемента «И» 15 соединен с управляющим входом 14 N-разрядного счетчика 12 и с первой строчной шиной управления (СШУ) 21. Выход N-разрядного счетчика 12 соединен с второй столбцовой шиной считывания (СШС) 19, которая предназначена для передачи информация о дальности до объектов изображения. Выход логического элемента «И» 15 соединен с третьей столбцовой шиной считывания (СШС) 20, которая предназначена для определения времени прихода отраженного импульса лазерной подсветки в промежутке между i и i+1 импульсами, поступающими по первой строчной шине управления (СШУ) 21. Канал измерения дальности до объектов изображения образован трансимпедансным усилителем, фильтром высокой частоты (ФВЧ) 8, усилителем 9, компаратором 10, N-разрядным счетчиком 12, логическим элементом «И» 15, второй столбцовой шиной считывания (СШС) 19, третьей столбцовой шиной считывания (СШС) 20.In addition, the output of the transimpedance amplifier is connected to the input of a high-pass filter (HPF) 8, the output of which is connected to the input of the amplifier 9. The output of the amplifier is connected to the inverting input of the comparator 10, and the non-inverting input 11 of the comparator 10 is designed to supply a constant bias voltage. The output of the comparator 10 is connected to the counting input 13 of the N-bit counter 12 and to the inverting input 16 of the logical element "And" 15. The input 17 of the logical element "And" 15 is connected to the control input 14 of the N-bit counter 12 and the first horizontal control bus ( SShU) 21. The output of the N-bit counter 12 is connected to the second column reading bus (SSH) 19, which is designed to transmit information about the distance to the image objects. The output of the logic element "And" 15 is connected to the third column read bus (SSH) 20, which is designed to determine the time of arrival of the reflected pulse of the laser illumination in the interval between i and i + 1 pulses arriving on the first horizontal control bus (SSH) 21. Channel measurement of the distance to image objects is formed by a transimpedance amplifier, a high-pass filter (HPF) 8, an amplifier 9, a comparator 10, an N-bit counter 12, a logical element "I" 15, a second column read bus (SSH) 19, the third column a reader (UWB) 20.
В устройстве первая и вторая строчные шины управления (СШУ), соответственно, 21 и 23, управляемый M-разрядный строчный счетчик 22 выполнены общими для всех строк ячеек считывания. Первая, вторая и третья столбцовые шины считывания (СШС), соответственно, 18, 19 и 20 выполнены общими для столбца ячеек считывания.In the device, the first and second line control buses (SSH), respectively, 21 and 23, the controlled M-bit line counter 22 are made common to all rows of read cells. The first, second, and third columnar read buses (SSC), respectively, 18, 19, and 20 are made common to the column of read cells.
Устройство выполнено на полупроводниковой подложке или другой аналогичной подложке.The device is made on a semiconductor substrate or other similar substrate.
В частном случае реализации устройства трансимпедансный усилитель выполнен в составе операционного усилителя 3, емкости 5, ключа 6. Одна из обкладок емкости 5 соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 3, являющимся инвертирующим входом трансимпедансного усилителя. Другая обкладка емкости 5 соединена с выходом операционного усилителя 3, являющимся выходом трансимпедансного усилителя. Ключ 6 одним выходом соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 3, а другим выходом - с выходом операционного усилителя 3, а управляющим входом, являющимся управляющим входом трансимпедансного усилителя, соединен с второй строчной шиной управления (СШУ) 23. Неинвертирующий вход 4 операционного усилителя 3, являющийся неинвертирующим входом трансимпедансного усилителя, предназначен для подачи постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде (ФД) 1, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом (ФД) 1 со стороны противоположной к контакту базовой области 2 фотодиода (ФД) 1. Кроме представленного здесь варианта реализации трансимпедансного усилителя, он может быть реализован как в вышеприведенном втором аналоге.In the particular case of the implementation of the device, the transimpedance amplifier is made up of an operational amplifier 3, capacitance 5, key 6. One of the plates of the capacitance 5 is connected to the inverting input of the operational amplifier 3, which is an inverting input of the transimpedance amplifier. Another lining of the capacitance 5 is connected to the output of the operational amplifier 3, which is the output of the transimpedance amplifier. The key 6 with one output is connected to the inverting input of the operational amplifier 3, and the other output is connected to the output of the operational amplifier 3, and the control input, which is the control input of the transimpedance amplifier, is connected to the second line control bus (SSH) 23. Non-inverting input 4 of the operational amplifier 3, which is a non-inverting input of a transimpedance amplifier, designed to supply a constant voltage that determines the bias voltage on the photodiode (PD) 1, the inverting input is designed to connect to the photodiode ohm (FD) 1 on the side opposite to the contact base region 2 of the photodiode (PD) 1. Further embodiment of the transimpedance amplifier provided herein, it can be implemented as in the above second analogue.
Вторая строчная шина управления (СШУ) 23 выполнена как M-разрядная строчная шина управления, вторая столбцовая шина считывания (СШС) 19 выполнена как N-разрядная столбцовая шина считывания.The second line control bus (CW) 23 is designed as an M-bit line control bus, the second column read bus (CWC) 19 is made as an N-bit column read bus.
Третья столбцовая шина считывания (СШС) 20 выполнена (см. чертеж) с возможностью соединения с одним входом логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24, другой вход (первый вход 25 логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24) которого соединен с первой строчной шиной управления (СШУ) 21, а выход логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 25 соединен с второй M-разрядной выходной шиной мультиплексора (ВШМ) 28. Первая строчная шина управления (СШУ) 21 выполнена распараллеленной. Вторая столбцовая шина считывания (СШС) 19 выполнена с возможностью соединения с третьей N-разрядной выходной шиной мультиплексора (ВШМ) 29. Первая столбцовая шина считывания (СШС) 18 выполнена с возможностью соединения с входом канала считывания ячейки мультиплексора (КСПЯМ) 26, выход которого соединен с первой выходной шиной мультиплексора (ВШМ) 27 (см. Фиг.).The third column read bus (SSH) 20 is made (see the drawing) with the possibility of connecting with one input of the logical element "AND" cell multiplexer (LE "I" NM) 24, another input (first input 25 of the logical element "AND" cell multiplexer ( LE "I" NM) 24) which is connected to the first lowercase control bus (SSH) 21, and the output of the logic element "I" of the multiplexer cell (LE "I" NM) 25 is connected to the second M-bit output bus of the multiplexer (GSM) 28 . The first horizontal control bus (SSH) 21 is made parallelized. The second column read bus (SSH) 19 is configured to connect to the third N-bit output bus of the multiplexer (SHM) 29. The first column read bus (SHS) 18 is configured to connect to the input of the read channel of the cell of the multiplexer (KSPM) 26, the output of which connected to the first output bus of the multiplexer (HSM) 27 (see. Fig.).
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Формирование тепловизионного изображения и измерение дальности до объектов изображения осуществляется одновременно. Для нижеследующего описания функционирования устройства в качестве базового положения принимается следующее. При отсутствии отраженных сигналов лазерной подсветки в импульсном режиме уровень сигналов растет равномерно пропорционально времени накопления (Tнак), то есть спектральный диапазон ограничен частотой 1/Tнак. Сигнал отраженной лазерной подсветки повторяет с некоторой определенной задержкой во времени импульс лазерной подсветки. Наличие фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8 в цепи канала измерения дальности до объектов изображения позволяет подавить постоянные или медленно меняющиеся компоненты сигналов (в полосе частот, не превышающей частоты 1/Tнак), выделить высокочастотные компоненты сигналов, которые несут информацию о сигнале отраженной лазерной подсветки, то есть информацию о дальности до объекта изображения и снизить требования к динамическому диапазону канала измерения дальности до объектов изображения. Причем сигнал на вход канала измерения дальности подается с общего с каналом считывания тепловизионного сигнала выхода (выход трансимпедансного усилителя).The formation of a thermal imaging image and measuring the distance to image objects is carried out simultaneously. For the following description of the operation of the device, the following is adopted as the base position. In the absence of reflected laser illumination signals in a pulsed mode, the signal level increases uniformly in proportion to the accumulation time (T nk ), that is, the spectral range is limited by a frequency of 1 / T nak . The reflected laser illumination signal repeats with a certain delay in time the laser illumination pulse. The presence of a high-pass filter (HPF) 8 in the circuit of the channel for measuring the distance to image objects allows you to suppress constant or slowly changing signal components (in a frequency band not exceeding 1 / T nak ), to isolate high-frequency signal components that carry information about the reflected laser signal illumination, that is, information about the distance to the image object and reduce the requirements for the dynamic range of the measurement channel to image objects. Moreover, the signal at the input of the range measurement channel is supplied with the output thermal imaging signal common with the read channel (output of the transimpedance amplifier).
Пусть на вход первой строчной шины управления (СШУ) 21 подается последовательность импульсов с периодом T21. С выхода управляемого M-разрядного строчного счетчика 22, с предустановкой его начального состояния, по второй строчной шине управления (СШУ) 23 на управляющий вход ключа 6 подается каждый K-й импульс, кратковременно замыкающий ключ 6. При этом K задается состоянием на выходе счетчика 22 и может принимать значения от 1 до 2М, где M - разрядность строчного счетчика 22. Промежуток времени между импульсами при их подаче по второй СШУ 23 определяется временем накопления Tнак, которое равно длительности K периодов импульсов, поступающих с внешнего входа по первой СШУ 21. Емкость 5, являющаяся емкостью цепи обратной связи трансимпедансного усилителя, обеспечивает достаточную величину зарядовой емкости для формирования тепловизионного изображения. С выхода трансимпедансного усилителя, являющегося выходом операционного усилителя (выход ОУ) 7, тепловизионный сигнал передается непосредственно на первую столбцовую шину считывания (СШС) 18 и далее через канал считывания предусилителя ячейки мультиплексора (КСПЯМ) 26 на первую выходную шину мультиплексора (ВШМ) 27. Одновременно с этим сигнал с выхода трансимпедансного усилителя, являющегося выходом операционного усилителя (выход ОУ) 7, подается на вход фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8, усиливается, проходя через усилитель 9, и далее поступает на инвертирующий вход компаратора 10. На неинвертирующий вход 11 компаратора 10 подается постоянное напряжение смещения заданной величины. При превышении уровнем сигнала на инвертирующем входе компаратора 10 заданной величины напряжения смещения на неинвертирующем входе 11 состояние на выходе компаратора 10 изменяется. При изменении состояния на выходе компаратора 10 формируется сигнал, поступающий на вход N-разрядного счетчика 12 - его счетный вход 13, счетчик осуществляет счет, меняя свое состояние. При подаче очередного импульса на управляющий вход 14 N-разрядного счетчика 12 от первой строчной шины управления (СШУ) 21 состояние с выхода N-разрядного счетчика 12 передается на вторую N-разрядную столбцовую шину считывания (СШС) 19. Таким образом, по состоянию N-разрядного счетчика 12 определяется время прихода отраженного сигнала лазерной подсветки в промежутке между произвольным i и i+1 импульсами, поступающими по первой СШУ 21. Время формирования импульса лазерной подсветки может быть синхронизировано с произвольным импульсом, поступающим по СШУ 21. Тактовая частота N-разрядного счетчика 12 в 2N выше тактовой частоты M-разрядного строчного счетчика 22. Выход компаратора 10 также соединен с первым входом 16 логического элемента «И» (ЛЭ«И») 15. При совпадении сигнала с выхода компаратора 10 с одним из импульсов, поступающих по первой СШУ 21, на выходе логического элемента «И» (ЛЭ«И») 15 формируется сигнал, определяющий с точностью до номера импульса, поступающего по СШУ 21, промежуток времени прихода сигналов отражения лазерной подсветки и передается по третьей столбцовой шине считывания (СШС) 20 в аналоговом виде. Далее, этот сигнал с СШС 20 логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24 преобразует из аналогового вида в цифровой код. Таким образом, канал измерения дальности до объектов изображения, выполненный в предлагаемом устройстве считывания в составе фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8, усилителя 9, компаратора 10, N-разрядного счетчика 12, логического элемента «И» (ЛЭ«И») 15, второй и третьей столбцовых шин считывания 19 и 20, соответственно, вырабатывает сигналы, по которым получают время задержки прихода отраженных импульсов лазерной подсветки с точностью, соответствующей разрядности N+M. Эти сигналы затем поступают в мультиплексор, в частности сигнал поступает с второй СШУ 19 на третью N-разрядную выходную шину мультиплексора (ВШМ) 29, сигнал поступает с третьей СШУ 20 на логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24, после преобразования в цифровую форму - на вторую M-разрядную выходную шину мультиплексора (ВШМ) 28 (см. чертеж).Let the pulse train with a period of T 21 be fed to the input of the first horizontal control bus (SSH) 21 . From the output of the controlled M-bit line counter 22, with a preset of its initial state, on the second line control bus (SSHU) 23, each K-th pulse, short-circuiting key 6, is supplied to the control input of key 6. In this case, K is set by the state at the output of the counter 22 and can take values from 1 to 2 M , where M is the bit depth of the line counter 22. The time interval between pulses when they are supplied by the second school bus 23 is determined by the accumulation time T nk , which is equal to the duration K of the pulse periods from the external input according to the first school №21. Capacity 5, which is the capacity of the feedback circuit of a transimpedance amplifier, provides a sufficient amount of charge capacity to form a thermal image. From the output of the transimpedance amplifier, which is the output of the operational amplifier (OA output) 7, the thermal imaging signal is transmitted directly to the first column read bus (SSH) 18 and then through the read channel of the preamplifier of the multiplexer cell (KSPYAM) 26 to the first output bus of the multiplexer (VSM) 27. At the same time, the signal from the output of the transimpedance amplifier, which is the output of the operational amplifier (OA output) 7, is fed to the input of a high-pass filter (HPF) 8, amplified, passing through amplifier 9, and then goes to and the inverting input of the comparator 10. A non-inverting input 11 of the comparator 10 is supplied with a constant bias voltage of a given value. When the signal level at the inverting input of the comparator 10 exceeds a predetermined bias voltage at the non-inverting input 11, the state at the output of the comparator 10 changes. When the state changes at the output of the comparator 10, a signal is generated that goes to the input of the N-bit counter 12 — its counter input 13, the counter carries out the count, changing its state. When the next pulse is supplied to the control input 14 of the N-bit counter 12 from the first horizontal control bus (SSH) 21, the state from the output of the N-bit counter 12 is transmitted to the second N-bit column read bus (SSH) 19. Thus, according to state N -digit counter 12 determines the time of arrival of the reflected laser illumination signal in the interval between arbitrary i and i + 1 pulses arriving at the first SSH 21. The formation time of the laser illumination pulse can be synchronized with an arbitrary pulse arriving at SSH 21. The clock frequency of the N-bit counter 12 is 2N higher than the clock frequency of the M-bit line counter 22. The output of the comparator 10 is also connected to the first input 16 of the logical element "AND" (LE "AND") 15. When the signal matches the output of the comparator 10 with one of the pulses arriving at the first SSH 21, a signal is generated at the output of the logic element “I” (LE “I”) 15, which determines, up to the number of the pulse arriving at SSH 21, the time interval for the arrival of laser illumination reflection signals and is transmitted on the third column reading bus (SS C) 20 in analog form. Further, this signal from the SHS 20, the logical element "AND" of the cell of the multiplexer (LE "I" NM) 24 converts from an analog form to a digital code. Thus, the channel for measuring the distance to image objects made in the proposed reader as part of a high-pass filter (HPF) 8, amplifier 9, comparator 10, N-bit counter 12, logical element “I” (LE “I”) 15, the second and third column reading buses 19 and 20, respectively, generates signals by which the delay time of arrival of the reflected pulses of the laser illumination is obtained with an accuracy corresponding to the digit capacity N + M. These signals are then fed to the multiplexer, in particular, the signal is supplied from the second SSH 19 to the third N-bit output bus of the multiplexer (SHM) 29, the signal is supplied from the third SSH 20 to the logic element “I” of the multiplexer cell (LE “I” NM) 24 , after conversion to digital form - to the second M-bit output bus of the multiplexer (GSM) 28 (see drawing).
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013109904/08A RU2529768C1 (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Reading device for multielement infrared photodetectors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013109904/08A RU2529768C1 (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Reading device for multielement infrared photodetectors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013109904A RU2013109904A (en) | 2014-09-10 |
| RU2529768C1 true RU2529768C1 (en) | 2014-09-27 |
Family
ID=51539942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013109904/08A RU2529768C1 (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Reading device for multielement infrared photodetectors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2529768C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2688953C1 (en) * | 2018-11-01 | 2019-05-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113938628B (en) * | 2021-10-08 | 2023-11-14 | 中国电子科技集团公司第二十四研究所 | Current-frequency oscillator for digital pixel readout circuit |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2111580C1 (en) * | 1996-12-27 | 1998-05-20 | Институт физики полупроводников СО РАН | Reading device for two-dimensional image receivers |
| US6323941B1 (en) * | 1999-08-06 | 2001-11-27 | Lockheed Martin Corporation | Sensor assembly for imaging passive infrared and active LADAR and method for same |
| RU2341850C1 (en) * | 2007-06-05 | 2008-12-20 | Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук | Device for reading of signal charge from matrix cid-photodetector |
| RU2396597C1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-08-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Device for reading signal charge from matrix cid photodetector |
-
2013
- 2013-03-05 RU RU2013109904/08A patent/RU2529768C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2111580C1 (en) * | 1996-12-27 | 1998-05-20 | Институт физики полупроводников СО РАН | Reading device for two-dimensional image receivers |
| US6323941B1 (en) * | 1999-08-06 | 2001-11-27 | Lockheed Martin Corporation | Sensor assembly for imaging passive infrared and active LADAR and method for same |
| RU2341850C1 (en) * | 2007-06-05 | 2008-12-20 | Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук | Device for reading of signal charge from matrix cid-photodetector |
| RU2396597C1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-08-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Device for reading signal charge from matrix cid photodetector |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2688953C1 (en) * | 2018-11-01 | 2019-05-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Device for reading signals from a photodetector matrix of infrared radiation (versions) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013109904A (en) | 2014-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6911128B2 (en) | Imaging array with extended dynamic range | |
| US10178336B2 (en) | Flexible readout and signal processing in a computational sensor array | |
| US10584998B2 (en) | Light receiver having a plurality of avalanche photodiode elements and method for supplying a bias voltage | |
| US9171985B2 (en) | Pixel circuit with controlled capacitor discharge time of flight measurement | |
| US20200217965A1 (en) | High dynamic range direct time of flight sensor with signal-dependent effective readout rate | |
| US11506765B2 (en) | Hybrid center of mass method (CMM) pixel | |
| KR101478594B1 (en) | Device for determining a charge amount of a capacitive element, pixel cell and method for determining a position of maximum of an envelope of an analog amplitude-modulated signal | |
| Bronzi et al. | 100 000 frames/s 64× 32 single-photon detector array for 2-D imaging and 3-D ranging | |
| US11415711B2 (en) | Radiation counting device and method of controlling radiation counting device | |
| KR101348522B1 (en) | Solid state imaging device and distance image measurement device | |
| US7791664B1 (en) | Methods for reading a pixel and for writing to a pixel and a device having pixel reading capabilities and pixel writing capabilities | |
| CN105093258A (en) | Photon measurement front-end circuit | |
| Nolet et al. | A 2D proof of principle towards a 3D digital SiPM in HV CMOS with low output capacitance | |
| JP6539990B2 (en) | Optical flight type distance measuring device | |
| Lindner et al. | Column-parallel dynamic TDC reallocation in SPAD sensor module fabricated in 180 nm CMOS for near infrared optical tomography | |
| RU2529768C1 (en) | Reading device for multielement infrared photodetectors | |
| Incoronato et al. | Single-shot pulsed-lidar spad sensor with on-chip peak detection for background rejection | |
| Sesta et al. | Range-finding SPAD array with smart laser-spot tracking and TDC sharing for background suppression | |
| CN113167875A (en) | CMOS image sensor for direct time-of-flight measurement | |
| JP2016099233A (en) | Light flight distance measuring device | |
| JP6108878B2 (en) | Imaging device, driving method of imaging device, imaging system, and driving method of imaging system | |
| JP7163416B2 (en) | Rolling subframe pulse-biased microbolometer integration | |
| JP2022067801A (en) | Photoelectric conversion device, and photoelectric conversion system | |
| KR20230062638A (en) | Clocked active quench/recharge and gain cell memory pixels | |
| Moazeni et al. | An integrated-circuit node for high-spatiotemporal resolution time-domain near-infrared diffuse optical tomography imaging arrays |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190306 |