Ctia型cmos焦平面讀出電路及信號(hào)讀出控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種CMOS焦平面成像技術(shù)，尤其涉及一種CTIA型CMOS焦平面讀出電 路及信號(hào)讀出控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 焦平面成像技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研宄等領(lǐng)域都有著廣泛而深入的應(yīng)用。焦平面 成像系統(tǒng)主要包含二維焦平面陣列和焦平面讀出電路，二者通過銦柱連接，銦柱將二維焦 平面陣列產(chǎn)生的光生電流信號(hào)傳輸至焦平面讀出電路，由焦平面讀出電路進(jìn)行相應(yīng)的緩沖 放大等操作，并按照用戶的要求進(jìn)行讀出。CMOS焦平面讀出電路是現(xiàn)今焦平面讀出電路的 主流。其中，CTIA型焦平面讀出電路由于在從低到高的背景范圍內(nèi)具有較低的噪聲與較高 的線性度，已經(jīng)成為CMOS焦平面讀出電路應(yīng)用中采樣單元的主要類型。
[0003] 圖像傳感器的像素拼接技術(shù)，即binning技術(shù)是指將像素輸出信號(hào)進(jìn)行相加，通 過降低分辨率來提高靈敏度、信噪比、幀頻等參數(shù)，但對(duì)于CMOS焦平面成像系統(tǒng)而言，由于 光敏元（即像元）通常為非硅基材料制造，與現(xiàn)有的像素拼接技術(shù)在工藝性上無法兼容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了一種CTIA型CMOS焦平面讀出電路，包括 由多個(gè)像元組成的二維焦平面陣列和由多個(gè)采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路，所述 采樣單元為CTIA型采樣單元；所述采樣單元由運(yùn)算放大器、積分電容、復(fù)位開關(guān)、采樣開 關(guān)、采樣保持電容和采樣輸出開關(guān)組成，所述積分電容和復(fù)位開關(guān)并聯(lián)在運(yùn)算放大器的輸 入端和輸出端之間，所述運(yùn)算放大器的輸出端與A節(jié)點(diǎn)連接，采樣開關(guān)設(shè)置于運(yùn)算放大器 輸出端和A節(jié)點(diǎn)之間的線路上，采樣保持電容一端與A節(jié)點(diǎn)連接，采樣保持電容另一端接 地，A節(jié)點(diǎn)與采樣單元輸出端連接，采樣輸出開關(guān)設(shè)置于A節(jié)點(diǎn)和采樣單元輸出端之間的 線路上；所述采樣單元與像元--對(duì)應(yīng)，運(yùn)算放大器輸入端與像元輸出端之間電氣連接； 其創(chuàng)新在于：某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記Celln，m表達(dá)，其中，η表示該 像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列數(shù)；則 標(biāo)記為Celln, m的像元所對(duì)應(yīng)的采樣單元中的A節(jié)點(diǎn)，分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記為 Celln-1, m、Celln+l, m、Celln, m-Ι和Celln, m+1的四個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的采樣單元中的A節(jié)點(diǎn) 電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)。
[0005] 本發(fā)明的原理是：由于CMOS焦平面成像系統(tǒng)在工藝性上無法兼容現(xiàn)有的像素拼 接技術(shù)，于是發(fā)明人從CMOS焦平面讀出電路的采樣單元入手，通過對(duì)采樣單元進(jìn)行拼接設(shè) 計(jì)來降低讀出數(shù)據(jù)量，從而縮短CMOS焦平面讀出電路的讀出時(shí)間，提高幀頻。
[0006] 基于前述硬件方案，本發(fā)明還提出了一種CTIA型CMOS焦平面讀出電路信號(hào)讀出 控制方法，所涉及的硬件如前所述；具體的控制方法為：將相鄰的多個(gè)像元記為一個(gè)探測(cè) 單元，二維焦平面陣列中的多個(gè)像元即形成若干個(gè)探測(cè)單元，每個(gè)像元僅對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)單 元，分屬于不同探測(cè)單元的兩個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的采樣單元之間的連接導(dǎo)線上的連接開關(guān)處于 常開狀態(tài)；則像元向采樣單元輸出光生電流信號(hào)時(shí)，先驅(qū)動(dòng)采樣開關(guān)閉合并延遲斷開，采樣 開關(guān)斷開后驅(qū)動(dòng)復(fù)位開關(guān)閉合并延遲斷開，復(fù)位開關(guān)斷開后驅(qū)動(dòng)探測(cè)單元內(nèi)的多個(gè)像元對(duì) 應(yīng)的多個(gè)連接開關(guān)全部閉合并延遲斷開，連接開關(guān)斷開后驅(qū)動(dòng)探測(cè)單元內(nèi)的多個(gè)像元對(duì)應(yīng) 的多個(gè)采樣輸出開關(guān)中的一者閉合，其余采樣輸出開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。
[0007] 采用本發(fā)明的方案后，用戶既可以選擇常規(guī)的讀出方式，也可以根據(jù)需要設(shè)定探 測(cè)單元的劃分方式以及單個(gè)探測(cè)單元內(nèi)的像元數(shù)量（實(shí)質(zhì)上就是可以對(duì)分辨率進(jìn)行調(diào) 節(jié)），為后期信號(hào)處理提供了多種可選方案，使用戶可以自定義信號(hào)讀出方式。
[0008] 優(yōu)選地，每個(gè)探測(cè)單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量相同。
[0009] 優(yōu)選地，每個(gè)探測(cè)單元內(nèi)所包含的像元數(shù)量為2個(gè)或2個(gè)以上。
[0010] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：通過對(duì)采樣單元進(jìn)行拼接，可以降低CMOS焦平面讀出 電路每幀讀出的數(shù)據(jù)量，從而縮短單幀讀出所需的時(shí)間，使幀頻得到提高。
【附圖說明】
[0011] 圖UCTIA型CMOS焦平面讀出電路中單個(gè)采樣單元的電氣原理示意圖；
[0012] 圖2、單個(gè)采樣單元及與之相連的采樣單元之間的電氣連接關(guān)系示意圖（在本圖 中，用標(biāo)記B來代表圖1中采樣開關(guān)及采樣開關(guān)左側(cè)的相關(guān)電氣結(jié)構(gòu)）；
[0013] 圖3、用對(duì)應(yīng)二維焦平面陣列中的像元位置的二維矩陣形式來表示多個(gè)采樣單元 時(shí)，多個(gè)采樣單元之間的電氣關(guān)系示意圖；
[0014] 圖4、在二維焦平面陣列中，按2 X 2方式劃分探測(cè)單元時(shí)的電氣關(guān)系示意圖；
[0015] 圖5、在二維焦平面陣列中，按1X1方式劃分探測(cè)單元時(shí)的電氣關(guān)系示意圖；
[0016] 圖中各個(gè)標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的名稱分別為：運(yùn)算放大器1、積分電容2、復(fù)位開關(guān)3、采樣 開關(guān)4、采樣保持電容5、采樣輸出開關(guān)6、連接開關(guān)7、采樣單元輸出端V ot、參考電壓端Vref、 像元輸出的光生電流信號(hào)Idrt。
【具體實(shí)施方式】
[0017] -種CTIA型CMOS焦平面讀出電路，包括由多個(gè)像元組成的二維焦平面陣列和由 多個(gè)采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路，所述采樣單元為CTIA型采樣單元；所述采樣單 元由運(yùn)算放大器1、積分電容2、復(fù)位開關(guān)3、采樣開關(guān)4、采樣保持電容5和采樣輸出開關(guān)6 組成，所述積分電容2和復(fù)位開關(guān)3并聯(lián)在運(yùn)算放大器1的輸入端和輸出端之間，所述運(yùn)算 放大器1的輸出端與A節(jié)點(diǎn)連接，采樣開關(guān)4設(shè)置于運(yùn)算放大器1輸出端和A節(jié)點(diǎn)之間的 線路上，采樣保持電容5 -端與A節(jié)點(diǎn)連接，采樣保持電容5另一端接地，A節(jié)點(diǎn)與采樣單 元輸出端Vott連接，采樣輸出開關(guān)6設(shè)置于A節(jié)點(diǎn)和采樣單元輸出端V TOT之間的線路上；所 述采樣單元與像元-對(duì)應(yīng)，運(yùn)算放大器1輸入端與像元輸出端之間電氣連接；
[0018] 其創(chuàng)新在于：某一像元在二維焦平面陣列中的位置用標(biāo)記Celln，m表達(dá)，其中，η 表示該像元在二維焦平面陣列中所處的行數(shù)，m表示該像元在二維焦平面陣列中所處的列 數(shù)；則標(biāo)記為Celln，m的像元所對(duì)應(yīng)的采樣單元中的A節(jié)點(diǎn)，分別通過四條連接導(dǎo)線與標(biāo)記 為Celln-1, m、Celln+l, m、Celln, m-Ι和Celln, m+1的四個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的采樣單元中的A節(jié) 點(diǎn)電氣連接；所述連接導(dǎo)線上設(shè)置有連接開關(guān)7。
[0019] 一種CTIA型CMOS焦平面讀出電路信號(hào)讀出控制方法，所涉及的硬件包括：由多個(gè) 像元組成的二維焦平面陣列和由多個(gè)采樣單元組成的CMOS焦平面讀出電路，所述采樣單 元為CTIA型采樣單元；所述采樣單元由運(yùn)算放大器1、積分電容2、復(fù)位開關(guān)3、采樣開關(guān)4、 采樣保持電容5和采樣輸出開關(guān)6組成，所述積分電容2和復(fù)位開關(guān)3并聯(lián)在運(yùn)算放大器1 的輸入端和輸出端之間，所述運(yùn)算放大器1的輸出端與A節(jié)點(diǎn)連接，采樣開關(guān)4設(shè)置于運(yùn)算 放大器1輸出端和A節(jié)點(diǎn)之間的線路上，采樣保持電容5-端與A節(jié)點(diǎn)連接，采樣保持電容 5另一端接地，A節(jié)點(diǎn)與采樣單元輸出端V tot連接，采樣輸出開關(guān)6設(shè)置于A節(jié)點(diǎn)和采樣單 元輸出端￥_之間的線路上；所述采樣單元與像元一一對(duì)應(yīng)，運(yùn)算放大器1輸入端與像元輸 出端之間電氣連接；某一像元在二