CMOS焦平面读出电路及信号读出控制方法.pdf

一种CMOS焦平面读出电路，其创新在于：某一像元在二维焦平面阵列中的位置用标记Celln,m表达，其中，n表示该像元在二维焦平面阵列中所处的行数，m表示该像元在二维焦平面阵列中所处的列数；则标记为Celln,m的像元的输出端分别通过四条连接导线与标记为Celln-1,m、Celln+1,m、Celln,m-1和Celln,m+1的四个像元的输出端电气连接；所述连接导线上设置有连接开关。本发明的有益技术效果是：能通过开关来实现像元输出光生电流向采样单元的选择性流入，提高焦平面成像系统的灵敏度，扩展其动态范围。

1.  一种CMOS焦平面读出电路，包括由多个像元组成的二维焦平面阵列和由多个采样单元组成的CMOS焦平面读出电路；所述采样单元与像元一一对应，采样单元输入端与像元输出端之间通过采样通道电气连接；所述采样通道上设置有输入开关；其特征在于：
某一像元在二维焦平面阵列中的位置用标记Celln,m表达，其中，n表示该像元在二维焦平面阵列中所处的行数，m表示该像元在二维焦平面阵列中所处的列数；则标记为Celln,m的像元的输出端分别通过四条连接导线与标记为Celln-1,m、Celln+1,m、Celln,m-1和Celln,m+1的四个像元的输出端电气连接；所述连接导线上设置有连接开关。

2.  一种CMOS焦平面读出电路信号读出控制方法，所涉及的硬件包括：由多个像元组成的二维焦平面阵列和由多个采样单元组成的CMOS焦平面读出电路；所述采样单元与像元一一对应，采样单元输入端与像元输出端之间通过采样通道电气连接；所述采样通道上设置有输入开关；某一像元在二维焦平面阵列中的位置用标记Celln,m表达，其中，n表示该像元在二维焦平面阵列中所处的行数，m表示该像元在二维焦平面阵列中所处的列数；则标记为Celln,m的像元的输出端分别通过四条连接导线与标记为Celln-1,m、Celln+1,m、Celln,m-1和Celln,m+1的四个像元的输出端电气连接；所述连接导线上设置有连接开关；其特征在于：
将相邻的多个像元记为一个探测单元，二维焦平面阵列中的多个像元即形成若干个探测单元，每个像元仅对应一个探测单元，分属于不同探测单元的两个像元之间的连接导线上的连接开关处于常开状态；则像元向采样单元输出光生电流信号时，单个探测单元内的所有像元对应的多个连接开关全部闭合，同时，单个探测单元内的所有像元对应的多个输入开关中仅有一个输入开关闭合，其余输入开关断开。

3.  根据权利要求2所述的CMOS焦平面读出电路信号读出控制方法，其特征在于：每个探测单元内所包含的像元数量相同。

4.  根据权利要求2所述的CMOS焦平面读出电路信号读出控制方法，其特征在于：每个探测单元内所包含的像元数量为2个或2个以上。

CMOS焦平面读出电路及信号读出控制方法
技术领域
本发明涉及一种CMOS焦平面读出技术，尤其涉及一种CMOS焦平面读出电路及信号读出控制方法。
背景技术
焦平面成像系统包括焦平面成像器件(即焦平面阵列)与焦平面读出电路两部分构成。其基本原理是：焦平面阵列上像元产生的光生电流通过铟柱传导至读出电路的采样单元，光生电流信号经采样单元进行采样、积分处理后，被转换为相应的电压信号，再通过其后的列级处理电路缓冲读出并最终成像；现有技术中常见的采样单元如电容反馈跨阻放大器(CTIA)采样单元、直接注入型(DI)采样单元、源随器型(SFD)采样单元、反馈增强直接注入型(FEDI)采样单元、电流镜栅调制型(CM)采样单元等类型。
现有技术存在的问题是：现有的焦平面成像系统中，焦平面阵列中的多个像元与采样单元采用一一对应的连接方式，即一个像元的输出信号由一个采样单元处理；在某些场合，可能会出现像元输出光生信号较为微弱的情况，这时，微弱的光生信号就可能淹没在器件噪声之中，使得采样单元很难对其进行采样输出。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种CMOS焦平面读出电路，包括由多个像元组成的二维焦平面阵列和由多个采样单元组成的CMOS焦平面读出电路；所述采样单元与像元一一对应，采样单元输入端与像元输出端之间通过采样通道电气连接；所述采样通道上设置有输入开关；其创新在于：某一像元在二维焦平面阵列中的位置用标记Celln,m表达，其中，n表示该像元在二维焦平面阵列中所处的行数，m表示该像元在二维焦平面阵列中所处的列数；则标记为Celln,m的像元的输出端分别通过四条连接导线与标记为Celln-1,m、Celln+1,m、Celln,m-1和Celln,m+1的四个像元的输出端电气连接；所述连接导线上设置有连接开关。
本发明的信号处理方式(具体的信号处理方式视采样单元类型而定)及传感原理均与现有的CMOS焦平面技术相同，本发明的创新点在于通过连接导线将二维焦平面阵列中的所有像元的输出端都连接了起来，这样做后，我们就可以通过控制连接开关和输入开关的闭合/断开来实现像元输出光生电流向采样单元的选择性流入，比如在光生电流较为微弱时，我们就可以控制相邻的多个像元输出的光生电流注入到同一个采样单元内，从而增强信号强度，避免信号被噪声所淹没，提高焦平面成像系统的灵敏度，扩展其动态范围。
基于前述硬件方案，本发明还提出了一种CMOS焦平面读出电路信号读出控制方法，所涉及的硬件如前所述；具体的控制方法为：将相邻的多个像元记为一个探测单元，二维焦平面阵列上的多个像元即形成若干个探测单元，每个像元仅对应一个探测单元，分属于不同探测单元的两个像元之间的连接导线上的连接开关处于常开状态；则像元向采样单元输出光生电流信号时，单个探测单元内的所有像元对应的多个连接开关全部闭合，同时，单个探测单元内的所有像元对应的多个输入开关中仅有一个输入开关闭合，其余输入开关断开。
如前所述，采用本发明的控制方法后，我们可以根据需要设定探测单元的划分方式(比如按正方形或 长方形来划分)，同时还可以控制多个像元的光生电流具体注入到哪个采样单元中，为后期信号处理提供了多种可选方案，使用户可以自定义信号读出方式。
优选地，每个探测单元内所包含的像元数量相同。
优选地，每个探测单元内所包含的像元数量为2个或2个以上。
本发明的有益技术效果是：能通过开关来实现像元输出光生电流向采样单元的选择性流入，提高焦平面成像系统的灵敏度，扩展其动态范围。
附图说明
图1、本发明的原理示意图(图中仅示出了一个像元与其周围四个像元及对应的采样单元之间的电气关系)；
图2、二维焦平面阵列上多个像元之间的电气关系示意图；
图3、二维焦平面阵列中，以相邻的四个象元所围的正方形来划分探测单元时的电气关系示意图；
图4、二维焦平面阵列中，以相邻的两个象元来划分探测单元时的电气关系示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：采样单元1、像元2、输入开关3、连接开关4。
具体实施方式
一种CMOS焦平面读出电路，包括由多个像元组成的二维焦平面阵列和由多个采样单元组成的CMOS焦平面读出电路；所述采样单元与像元一一对应，采样单元输入端与像元输出端之间通过采样通道电气连接；所述采样通道上设置有输入开关；其创新在于：
某一像元在二维焦平面阵列中的位置用标记Celln,m表达，其中，n表示该像元在二维焦平面阵列中所处的行数，m表示该像元在二维焦平面阵列中所处的列数；则标记为Celln,m的像元的输出端分别通过四条连接导线与标记为Celln-1,m、Celln+1,m、Celln,m-1和Celln,m+1的四个像元的输出端电气连接；所述连接导线上设置有连接开关。
所述连接导线和连接开关均采用与焦平面成像系统制作工艺兼容的CMOS工艺制作；
一种CMOS焦平面读出电路信号读出控制方法，所涉及的硬件包括：由多个像元组成的二维焦平面阵列和由多个采样单元组成的CMOS焦平面读出电路；所述采样单元与像元一一对应，采样单元输入端与像元输出端之间通过采样通道电气连接；所述采样通道上设置有输入开关；某一像元在二维焦平面阵列中的位置用标记Celln,m表达，其中，n表示该像元在二维焦平面阵列中所处的行数，m表示该像元在二维焦平面阵列中所处的列数；则标记为Celln,m的像元的输出端分别通过四条连接导线与标记为Celln-1,m、Celln+1,m、Celln,m-1和Celln,m+1的四个像元的输出端电气连接；所述连接导线上设置有连接开关；其创新在于：
将相邻的多个像元记为一个探测单元，二维焦平面阵列中的多个像元即形成若干个探测单元，每个像元仅对应一个探测单元，分属于不同探测单元的两个像元之间的连接导线上的连接开关处于常开状态；则像元向采样单元输出光生电流信号时，单个探测单元内的所有像元对应的多个连接开关全部闭合，同时，单个探测单元内的所有像元对应的多个输入开关中仅有一个输入开关闭合，其余输入开关断开。
进一步地，每个探测单元内所包含的像元数量相同。
进一步地，每个探测单元内所包含的像元数量为2个或2个以上。
参见图3，以2×2形式的探测单元为例，按本发明方案将第一行第一列像元Cell1,1、第一行第二列像元Cell1,2、第二行第一列像元Cell2,1和第二行第二列像元Cell2,2四个像元之间的连接开关闭合，这四个像元与该探测单元以外的其余像元之间的连接开关断开，此时，仅闭合Cell1,1对应的输入开关，断开其他三个输入开关，则四个像元所对应的四个采样单元中仅留有一个光生电流通路，因此四个像元所产生的四个光生电流信号将全部流入对应Cell1,1的采样单元中，设Cell1,1、Cell1,2、Cell2,1、Cell2,2对应的光生电流大小为I_det1、I_det2、I_det3、I_det4，则相比于现有的信号读出手段，经本发明方案处理之后，Cell1,1的等效光生电流大小为I_det1+I_det2+I_det3+I_det4，当光生信号较小的时候，I_det1、I_det2、I_det3、I_det4可能均会淹没在噪声之中，使得采样单元很难对其进行采样输出，但采用本发明之后，等效光生电流变为四个电流之和，采样单元能够采样的范围扩大，读出电路的灵敏度与动态范围得到提高；依次类推，焦平面阵列中的其他探测单元，按照2×2的方式进行连接开关与输入开关的闭合与断开操作，配合读出电路的行选、列选等电路，完成整个阵列的读出，相比现有技术，整个阵列的读出时间将得到减小，帧频明显提高。