專利名稱：具有多路輸出功能的紅外焦平面讀出電路及其讀出方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電子技術及微電子技術領域，具體涉及一種具有多路輸出功能的紅外焦平面讀出電路及其讀出方法。
背景技術：
目前紅外成像技術已經(jīng)廣泛地應用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學研究等各個領域。紅外焦平面陣列(IRFPA, Infrared FocalPlane Array)是紅外成像系統(tǒng)的核心部件， 一般由紅外探測器陣列和讀出電路(ROIC,Readout Integrated Circuit)兩部分組成。紅外探測器的作用是將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號；讀出電路的作用則完成像素信號的處理和讀出，是紅外探測器電信號到熱像儀的重要傳輸中介，起著承上啟下的作用，因此紅外讀出電路的性能直接影響IRFPA成像系統(tǒng)的性能。
隨著技術的不斷進步和成熟，ROIC的陣列規(guī)模也越來越大。近年來，其像素規(guī)模已從640X480擴展到2048X2048。陣列規(guī)模的擴大意味著輸出一幀圖像需要更多的像素信號。此外，不同的應用場合對輸出幀速的要求也不同。例如普通的民用場合，如小區(qū)監(jiān)控，幀速達到十幾、二十幾幀每秒就可以滿足需求；而在軍事應用場合，比如紅外制導，讀出電路幀速需要達到幾十甚至上百幀每秒。越來越大的陣列規(guī)模和更高的幀速要求對像素讀出速率提出了更大的挑戰(zhàn)。目前研制的讀出電路大多不具備多路輸出功能，也就不具備調(diào)整讀出幀速的功能。有的讀出電路通過采用開窗口的方式來提高窗口部分圖像的幀率，但是對整個視場而言，這種方法不能提高完整圖像的幀速率，不適于應用在既要保證高速率又要保證信息完整度的場合。因此，亟需研制一種新的讀出電路。采用這種電路，不但可以按正常速率輸出完整圖像，還可以通過多路輸出的選擇來調(diào)整完整圖像的讀出速率，獲得更高的幀速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種紅外焦平面讀出電路，該讀出電路具有多路輸出功能，通過輸出模式的選擇可以實現(xiàn)讀出速率的調(diào)整。為此，本發(fā)明提供了一種讀出電路，用于以不同的速率讀出N行M列的紅外焦平面陣列的信號，所述讀出電路包括行選擇信號產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生N個行選信號ROW ;列選擇信號產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生M個列選信號C0L;多路輸出邏輯控制電路，用于載入所述讀出電路外的主時鐘信號和復位信號并產(chǎn)生相應的控制邏輯，實現(xiàn)不同的多路輸出的輸出模式選擇；以及四個輸出緩沖級，用于信號的緩沖輸出。其中，所述讀出電路以一幀為工作周期重復，在所述工作周期內(nèi)，所述多路輸出邏輯控制電路控制所述行選擇信號產(chǎn)生電路生成順序有效的N個行選信號，在一個行周期內(nèi)只有一個行選信號有效；然后在任意一個有效的行周期內(nèi)，所述多路輸出邏輯控制電路控制所述列選擇信號產(chǎn)生電路依據(jù)所述多路輸出邏輯控制電路產(chǎn)生的控制邏輯生成M個列選信號，在一個列周期內(nèi)，同時能有一個或多個列選信號有效，分別對應不同的輸出模式。在單路輸出模式下，一個列周期內(nèi)僅有一個列選信號有效以僅讀出一列，讀出的信號僅通過一個輸出緩沖級輸出。在雙路輸出模式下，一個列周期內(nèi)僅有兩個列選信號有效以僅讀出兩列，該兩列間距為M/2，讀出的信號通過兩個輸出緩沖級輸出。在四路輸出模式下，一個列周期內(nèi)僅有四個列選信號有效以僅讀出四列，該四列之間相互間距為M/4，讀出的信號通過四個輸出緩沖級輸出。本發(fā)明還提供了一種方法，用于以不同的速率讀出N行M列的紅外焦平面陣列的信號，包括行選擇信號產(chǎn)生電路在多路輸出邏輯控制電路控制下依據(jù)主時鐘信號和復位信號產(chǎn)生順序有效的N個行選信號；列選擇信號產(chǎn)生電路在任意一個所述行選信號有效的行周期內(nèi)，產(chǎn)生M個列選信號；其中，在任意一個所述列選信號有效的列周期內(nèi)，同時能有一個或多個列選信號有效，分別對應不同的輸出模式；依據(jù)有效的行選信號和列選信號通過輸出緩沖級依次輸出紅外焦平面陣列的信號。 在單路輸出模式下，一個列周期內(nèi)僅有一個列選信號有效以僅讀出一列，讀出的信號僅通過一個輸出緩沖級輸出。在雙路輸出模式下，一個列周期內(nèi)僅有兩個列選信號有效以僅讀出兩列，該兩列間距為M/2，讀出的信號通過兩個輸出緩沖級輸出。在四路輸出模式下，一個列周期內(nèi)僅有四個列選信號有效以僅讀出四列，該四列之間相互間距為M/4，讀出的信號通過四個輸出緩沖級輸出。本發(fā)明的紅外焦平面讀出電路具有多路輸出功能，不同輸出模式對應不同讀出速率。正常情況下，單路輸出模式讀出速率為每秒30幀，四路輸出模式的讀出速率可以達到每秒120幀，能滿足不同場合的應用需求。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請獨立權利要求的范圍內(nèi)得以滿足。本發(fā)明的實施例限定在獨立權利要求中，具體特征限定在其從屬權利要求中。


以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術方案，其中圖I為本發(fā)明的紅外焦平面讀出電路的整體框圖；圖2為圖I所示讀出電路每一幀的時序圖；圖3為圖I所示讀出電路在單路輸出時每一行的時序圖；圖4為圖I所不讀出電路在雙路輸出時每一行的時序圖；以及圖5為圖I所示讀出電路在四路輸出時每一行的時序圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將參照附圖并結合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術方案的特征及其技術效果，公開了一種具有多路輸出功能的紅外焦平面讀出電路。需要指出的是，類似的附圖標記表示類似的結構，本申請中所用的術語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種電路結構。這些修飾除非特別說明并非暗不所修飾電路結構的空間、次序或?qū)蛹夑P系。
首先，參照圖1，示出了本發(fā)明的紅外焦平面讀出電路的整體框圖。依照本發(fā)明的具有多路輸出功能的紅外焦平面讀出電路形成在N行M列(也即NXM個像素，具體地，本發(fā)明針對320X240的單元電路陣列(共240行320列))的紅外焦平面陣列IRFPA周圍，包括行選擇信號產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生行選擇控制信號ROW;列選擇信號產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生列選擇控制信號C0L;多路輸出邏輯控制電路，用于載入所述紅外焦平面讀出電路之外的輸出模式控制信號并產(chǎn)生相應的控制邏輯，實現(xiàn)單路、雙路和四路輸出的輸出模式選擇；四個輸出緩沖級BUFFER，用于信號的不同模式下的緩沖輸出，具體地，依據(jù)多路輸出邏輯控制電路控制的開關矩陣而選擇不同的輸出緩沖級最終輸出。讀出電路的主時鐘例如CLK、多路輸出的控制信號例如復位信號RESET等少數(shù)幾個信號需要從外部產(chǎn)生。其中，所述讀出電路以一幀為工作周期重復，幀的大小由圖像輸出的需要而定，具體而言，對于本發(fā)明的NXM像素的紅外焦平面陣列而言，若要求幀速為L幀/秒，則工作周期為1/L秒，若每個陣列單元的讀出時間為t秒，則t = 1/NXMXL，本發(fā)明中240行320列的IRFPA讀出幀速為30幀/秒，因此每個陣列單元要求的讀出時間為4. 34X 10_7秒。在所述工作周期內(nèi)，所述行選擇信號產(chǎn)生電路生成順序有效的N個行選信號，在一個行周期內(nèi)只有一個行選信號有效，行周期Tr = 1/LXN,上述每一巾貞的時序如圖2所不。在任何一個有效的行周期內(nèi)，所述列選擇信號產(chǎn)生電路依據(jù)所述多路輸出邏輯控制電路產(chǎn)生的控制邏輯生成順序有效的M個列選信號,在一個列周期內(nèi)，可以有I個、2個或4個列選信號有效， 分別對應單路、雙路和四路輸出模式。列周期Tc = t = 1/NXMXL，也即紅外焦平面陣列每個陣列單元讀出所需的最短時間。在列周期t保持不變的前提下，雙路輸出的行周期Tr2 變?yōu)閱温份敵龅男兄芷赥r的1/2，四路輸出的行周期Tr4變?yōu)閱温份敵鲂兄芷赥r的1/4 ； 相應的，雙路輸出的幀頻變?yōu)閱温份敵龅?倍，四路輸出的幀頻變?yōu)閱温份敵龅?倍，由此讀出電路也就具有的不同的讀出速率。 讀出電路的工作時序具體為單路輸出模式下，多路輸出邏輯控制電路的復位信號RESET為高電平；復位結束后，行選控制信號ROW[I]有效，表不第一行被選中；與此同時，列選信號COL[I] 有效，表示第一列被選中，對第一列信號進行采樣保持以及緩沖輸出；然后C0L[2]、 COL [3]、...COL [Μ]順序有效，依次對每一列進行采樣保持以及緩沖輸出，直至完成一個行周期，單路輸出時每一行的時序如圖3所示。之后ROW [2]、ROW [3]、... ROW [N]順序有效，重復之前所述的列選過程，完成一幀圖像的選通輸出。讀出的信號經(jīng)由多路輸出控制邏輯控制的開關矩陣最終通過BUFFER1輸出。雙路輸出模式下，多路輸出邏輯控制電路的復位信號RESET為高電平；復位結束后，行選控制信號R0W[1]有效，第I行被選中；與此同時，相距為M/2的兩列被選中，例如列選信號C0L[1]和C0L[M/2+l]有效，第I列和第(M/2+1)被選中，對這兩列同時進行采樣保持以及緩沖輸出；然后順序有效的每組列選信號為(C0L[2]，C0L[M/2+2])、(COL[3], COL[M/2+3])、…(COL[M/2]，COL[Μ])，每個列周期對兩列進行采樣保持和緩沖輸出，直至完成一個行周期。雙路輸出時每一行的時序如圖4所示，在列周期保持不變的前提下，由于每個列周期有兩列同時進行采樣保持和緩沖輸出，雙路輸出的行周期變?yōu)閱温份敵龅?/2，相應的，雙路輸出的幀頻變?yōu)閱温份敵龅?倍，因此雙路輸出模式下所耗費的輸出時間是單路模式的一半，輸出效率提高了一倍。之后ROW [2]、ROW [3]、... ROW [N]順序有效，重復之前所述的列選過程，完成一幀圖像的選通輸出。讀出的信號通過BUFFER1和BUFFER2輸出。四路輸出模式下，多路輸出邏輯控制電路的復位信號RESET為高電平；復位結束后，行選控制信號R0W[1]有效,第一行被選中；與此同時，相互間距為M/4的四列被選中， 例如列選信號C0L[1]、COL[M/4+1]、COL[M/2+1]、C0L[3M/4+l]同時有效，對應的四列被選中，進行采樣保持以及緩沖輸出；然后順序有效的每組列選信號為(C0L[2]，C0L[M/4+2], COL[M/2+2]， COL[3M/4+2])、 (COL[3]， COL[M/4+3]， COL[M/2+3]， COL[3M/4+3])、 … (COL [M/4], COL [M/2], C0L[3M/4]，C0L[M]);每個列周期對四列進行采樣保持和緩沖輸出， 直至完成一個行周期。四路輸出時每一行的時序如圖5所示，在列周期保持不變的前提下， 由于每個列周期有四列同時進行采樣保持和緩沖輸出，四路輸出的行周期變?yōu)閱温份敵龅?1/4，相應的，四路輸出的幀頻變?yōu)閱温份敵龅?倍，因此四路輸出模式下所耗費的輸出時間是單路模式的1/4，輸出效率提高為四倍。之后R0W[2]、R0W[3]、. . . ROW [N]順序有效，重復之前所述的列選過程，完成一幀圖像的選通輸出。讀出的信號通過四個BUFFER同時輸出。依照本發(fā)明的紅外焦平面讀出電路具有多路輸出功能，不同輸出模式對應不同讀出速率。正常情況下，單路輸出模式讀出速率為每秒30幀，四路輸出模式的讀出速率可以達到每秒120幀，能滿足不同場合的應用需求。 以上參照附圖舉出了單路、雙路以及四路輸出模式下的具體時序關系，本領域技術人員應當知曉的是，對于其他多路輸出模式，可以相應修改控制邏輯而同理地實現(xiàn)。例如對于k路輸出而言,可以在任意一行選信號R0W[i]有效時，使得k個列選信號同時有效,該 k列相互間距為M/k，從而類似地實現(xiàn)通過k個輸出緩沖級而最終k路輸出。以上所述的多路輸出時，為了控制邏輯實現(xiàn)方便以及電路布圖對稱性考慮，優(yōu)選為等距間隔排布所選的列，但是對于某些特定需求，例如電路某些區(qū)域被其他模塊占用或為了避免多條信號線集中分布造成信號串擾，可以在局部使得相鄰的多條或者間隔不等距的多條列同時被選中。盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明，本領域技術人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對電路結構和具體構件做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導可做出許多可能適于特定情形或構件的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的電路結構和具體構件將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
權利要求
1.ー種具有多路輸出功能的紅外焦平面讀出電路，用于以不同的速率讀出N行M列的紅外焦平面陣列的信號，所述讀出電路包括 行選擇信號產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生N個行選信號ROW ； 列選擇信號產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生M個列選信號COL ； 多路輸出邏輯控制電路，用于載入所述讀出電路外的主時鐘信號和復位信號并產(chǎn)生相應的控制邏輯，實現(xiàn)不同的多路輸出的輸出模式選擇；以及 多個輸出緩沖級，用于信號的緩沖輸出。
2.如權利要求I所述的讀出電路，其中，所述讀出電路以ー幀為工作周期重復，在所述工作周期內(nèi)，所述多路輸出邏輯控制電路控制所述行選擇信號產(chǎn)生電路生成順序有效的N個行選信號，在ー個行周期內(nèi)只有一個行選信號有效；然后在任意一個有效的行周期內(nèi)，所述多路輸出邏輯控制電路控制所述列選擇信號產(chǎn)生電路依據(jù)所述多路輸出邏輯控制電路產(chǎn)生的控制邏輯生成M個列選信號,在ー個列周期內(nèi)，同時能有一個或多個列選信號有效，分別對應不同的輸出模式。
3.如權利要求2所述的讀出電路，其特征在于，在單路輸出模式下，ー個列周期內(nèi)僅有一個列選信號有效以僅讀出一列，讀出的信號僅通過ー個輸出緩沖級輸出。
4.如權利要求2所述的讀出電路，其特征在干，在雙路輸出模式下，ー個列周期內(nèi)僅有兩個列選信號有效以僅讀出兩列，該兩列間距為M/2，讀出的信號通過兩個輸出緩沖級輸出。
5.如權利要求2所述的讀出電路，其特征在于，在四路輸出模式下，ー個列周期內(nèi)僅有四個列選信號有效以僅讀出四列，該四列之間相互間距為M/4，讀出的信號通過四個輸出緩沖級輸出。
6.ー種具有多路輸出功能的紅外焦平面讀出電路的讀出方法，采用如權利要求I 5所述的讀出電路，用于以不同的速率讀出N行M列的紅外焦平面陣列的信號，包括 行選擇信號產(chǎn)生電路在多路輸出邏輯控制電路控制下依據(jù)主時鐘信號和復位信號產(chǎn)生順序有效的N個行選信號； 列選擇信號產(chǎn)生電路在任意ー個所述行選信號有效的行周期內(nèi)，產(chǎn)生M個列選信號； 其中，在任意ー個所述列選信號有效的列周期內(nèi)，同時能有一個或多個列選信號有效，分別對應不同的輸出模式； 依據(jù)有效的行選信號和列選信號通過輸出緩沖級依次輸出紅外焦平面陣列的信號。
7.如權利要求6的方法,其特征在于,在單路輸出模式下,ー個列周期內(nèi)僅有ー個列選信號有效以僅讀出一列，讀出的信號僅通過ー個輸出緩沖級輸出。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，在雙路輸出模式下，ー個列周期內(nèi)僅有兩個列選信號有效以僅讀出兩列，該兩列間距為M/2，讀出的信號通過兩個輸出緩沖級輸出。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，在四路輸出模式下，ー個列周期內(nèi)僅有四個列選信號有效以僅讀出四列，該四列之間相互間距為M/4，讀出的信號通過四個輸出緩沖級輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有多路輸出功能的紅外焦平面讀出電路及其讀出方法，包括行選擇信號產(chǎn)生電路，列選擇信號產(chǎn)生電路，多路輸出邏輯控制電路，輸出緩沖級。本發(fā)明的紅外焦平面讀出電路可以提供單路、雙路和四路輸出的輸出模式選擇。不同的輸出模式對應不同的讀出速率，可以滿足不同場合的應用要求。
文檔編號G01J5/02GK102692275SQ20111006806
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權日2011年3月22日
發(fā)明者彭城, 王瑋冰 申請人:中國科學院微電子研究所