[发明专利]高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法

说明书

本发明涉及数字化图像采集处理技术。本发明解决了现有数字化像素过程中动态范围较小且精度不高的问题，提供了一种高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法，其技术方案可概括为：高分辨率大动态范围数字化读出装置，包括探测电路、积分读出电路、数字化电路、总线输出电路、反向补偿电路及外部控制信号输入端，反向补偿电路的输入端与数字化电路的输出端连接，其输出端与探测电路的输出端连接后与积分读出电路的输入端连接，或数字化电路还包括固定偏置电压输入端及补偿控制开关，固定偏置电压输入端通过补偿控制开关后与其余部分连接，且与反向补偿电路的输出端连接。本发明的有益效果是，动态范围及精度均有提高，适用于数字化读出装置。

技术领域

本发明涉及微电子技术，特别涉及数字化图像采集处理技术。

背景技术

CMOS图像传感及其焦平面成像技术，因其功耗低、成本低及光谱灵敏度高等特点，广泛应用于空间遥感和天文物理等领域，CMOS成像技术主要包括：光电探测器、读出电路及信号处理电路，一般原理是光电探测器将光信号转换为电信号，再由读出电路对电信号进行积分放大及采样输出，然后由模数转换ADC等信号处理模块进行量化处理，成像阵列一般是将探测器产生的光电信号在电容上进行积分后以电压的形式传给后续信号处理电路，都是在固定积分时间完成后，通过采样开关对电压信号进行采样及保持，当探测信号动态范围较大时，强光信号在极短时间内即可积分到截止电压，而弱光信号积分完成时积分电压很小，数字化精度要求高。一般图像传感电路动态范围，即输出的最大可探测信号与最小可探测信号之比，与积分时间、积分饱和电压及积分电容有关，数字化后所需的数字位数越多，对应的图像传感电路动态范围越大。

普通方式成像技术，以光电转换、积分、采样保持及模数转换为主的光强检测技术，量化时ADC精度要高于最小可探测信号，且在固定积分时间内强光积分电压不可超过积分饱和电压，限制了动态范围且增加了后续处理信号精确度和复杂度。

以改变积分电容方式下的光强检测技术，对于强光来说所需并联积分电容很大，且仅仅对强光信号探测范围有所增加。

以多次比较重置方式的光强检测技术，提高动态范围的方式提高了强光背景的检测，但对弱光信号的检测误差较大，弱光背景下无法实现高精度数字化。

上述已有检测方法需要在积分完成后，将电压信号送入ADC(模数转换)处理来判断光照强弱，因此存在以下缺点：1)需要将积分电压与多个参考电压进行比较，生成这些参考电压需要精确、复杂的电路，特别是检测较弱的信号需要高精度检测，要求比较电路具有很高的精度，否则比较过程会因为信号太弱而无法进行；2)以自动调节曝光方式为代表的动态范围增强技术只能判断光照是否使像素饱和，不能检测出该光强的具体值(可参见文献1，Huang L W,Hsieh C C,Chang W H,et al.A 1.8V readout integrated circuitwith adaptive transimpedance control amplifier for IR focal plane arrays[C]//Sensors,2011IEEE.IEEE,2011:1145-1148.)；3)以强光背景下多次比较重置，计算比较器翻转次数来提高动态范围的方式，只是在传统读出电路方式上增加了比较模块来提高强光探测范围，对较弱光强或较弱的光强剩余量仍需要精确复杂的模数转换电路(可参见文献2，Cai J,Ran F,Yang H,et al.A CMOS Image Sensor with Self-Reset Circuit inActive Pixel[C]//Image and Signal Processing,2009.CISP'09.2nd InternationalCongress on.IEEE,2009:1-4.)；4)通常检测过程必须等待积分完成后才能开始，这就需要在积分或读出之后安排额外的比较时间，降低了整个电路读出的速度。

发明内容

本发明的目的是解决目前数字化像素过程中动态范围较小且精度不高的问题，提供一种高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法。