检测器像素信号读出电路及其成像方法

专利名称：检测器像素信号读出电路及其成像方法
技术领域：
本发明涉及检测器像素信号读出和处理的领域。
引用如下参考被认为涉及相关于用于理解本发明背景I I. O. Nesher 和 P. Klipstein, “High performance IR detectors at SCDpresent and future”，SPIE 年报，5957 卷，红外光电子学，2005 年 8 月，0S1-0S12 页
背景技术：
光检测器设备通过创建电效应而对接收光子响应，所述电效应可被量化并因此提供关于所接收光子的通量的信息。检测器的焦平面阵列(FPA)用于获得物体的图像，因此每个检测器提供图像阵列中的像素。在该图像中，提供的每个像素具有唯一地址和数值，其可进一步用于处理图像以便从图像中提取信息。成像参数之间的协调是经常置于获取所需图像参数的折衷处理。因此，以图像分辨率或图像大小为代价提高图像帧率是本领域中公知的。多模式传感器已经成为各种应用的重要组成部分，诸如监视系统和搜索跟踪系统等。为了确保准确性和合适的目标获取，尽可能多地获得关于成像区域的信息已变得更加有用，诸如例如检测及追踪可能的目标。多模式成像设备的一个常见示例是导弹导引头，该导弹导引头结合中波红外成能力和半主动激光检测和跟踪。红外线使得基于目标的散热或期望热签名进行跟踪，而半主动激光(SAL)检测器允许检测目标被涂上了激光点。具有所有的这些优势，多模式检测装置具有许多不利因素。一般地说，这种设备需要两个或多个不同的传感系统，其输出被组合并分析以得出正确的多模式检测能力。这导致这类系统一般更昂贵和复杂，限制了它们在该领域的应用。发明概述本领域需要一种用于成像像素阵列的新颖的像素读出电路。和如下相关。和常规系统相比，现代光电系统经设计地成为更紧凑、低功耗、低成本系统。将多个组件或功能(诸如热成像、激光指示器、激光测距仪(LRF))整合成多功能检测器可以有助于该趋势。LRF对于用于成像系统用户的高精度目标结合成为日益重要的部分。精密、准确的目标距离(range-to-target)信息是在当今的精密武器的第一控制方案中是重要变量。手持式军事测距仪一般在2km并直到5km的范围内操作，并具有±10m范围的准确性。测距仪的更强大模型计量距离达到25km并通常安装在三脚架上或直接在汽车或者枪支平台上。在后一种情况下，测距仪(range-finder)模块与热夜视及白天观测系统集成。激光也广泛用作光检测和测距(LIDAR)用于三维物体识别。使用LIDAR技术的新进展，LIDAR的准确性水平得到了显著的提高。传统的LIDAR系统可以提供高达100赫兹的脉冲重复频率，以及几厘米的距离测量精度。现代光电系统包含若干部件，诸如热成像、激光指示器、激光测距仪器等。对于具有低功耗和低成本的紧密系统的需求可以通过将某些常规系统能力合并到IR检测器而解决。本发明提供了一种像素读出集成电路(ROIC)和任何类型的有源矩阵光检测器(光电二极管)集成，创建具有片上处理的改进多功能红外检测器。本发明还提供了一种新型的检测器，包括读取集成电路(ROIC)和改进的片上信号处理。例如，合并高水平的信号处理的ROIC可被倒装焊接(flip chip-bonded)为15 μ m间距的640X 512InSb检测器阵列。因此，提供了一种像素读出集成电路集成任何类型的有源矩阵光检测器(光电二极管)。例如，有源矩阵检测器可是由对IR成像灵敏材 料(例如，InSb、InAsSb, InGaAs,CMT等)制成的焦平面阵列检测器(像素矩阵)、中波IR成像或短波 R成像或长波IR成像。在单片集成电路上执行像素读出。读出电路经配置并可操作以接收整个像素矩阵检测数据并处理所述检测数据用于在识别为存在输入脉冲信号的焦平面上提供事件的单像素检测。更确切地说，读出电路能够同时或几乎同时实现两种不同的模式，成像模式和每个像素的事件检测模式，通过处理相同帧的数据而实现。在单像素事件检测模式中，读出电路识别特定事件为感光电流中的正变化，其可以是存在激光脉冲或武器射击脉冲的指示，这些脉冲可以是由探测元件转换为电流的任何电磁辐射脉冲。由于如下事实该快速事件事件和获取相同帧的图像并发执行，快速事件不仅被检测，并且从感兴趣区域成像的帧中的位置也可以被确定，而且在像素尺寸分辨率上亦可确定。因此，根据本发明的广泛的方面，提供了一种用于成像像素阵列的像素读出电路。像素读出电路包括(a)接收对应于像素的光敏元素的电输出的图像信号的输入通道；(b)在输入通道和输出读取设施之间互联的电路，所述电路包括(i)包括至少一个电容的电容单元，可控地链接到输入通道用于累积在单个帧期间由像素产生的接收强度对应的电荷，并连接到输出读取设施用于向其传送图像数据，以及(ii)信号分析单元，可控地链接到输入通道，用于接收并分析在单帧周期由像素产生的至少部分图像信号，并链接到输出读取设施。在单帧周期由像素产生的至少部分图像信号的分析包括检测在单帧周期累积电流的时间变化的检测(对应于所接收信号的强度)，并比较变化幅度与预设阈值水平。如果变化幅度大于预定状态(阈值)，则信号分析单元产生所检测事件的数据指示并将该数据传送到输出读出电路。在这方面，应注意如果信号强度的变化(光电流导数)大于预定阈值(预定条件)，则检测该事件。确切值取决于应用权衡，诸如误警报率(False-Alarm-Rate)或功率。在某些实施例中，电路被配置成选择性地改变电容单元的转换增益以在单帧周期提供至少一个电容的电荷累积的所选集成时间，从而选择性地提供具有分别对像素操作更高和更低信噪比的不同图像获取模式。在某些实施例中，像素读出电路包括开关装置，链接到输入通道并可配置以选择性地将至少部分图像信号指引到电路的一个或多个单元。在某些实施例中，信号分析单元包括比较器，其经配置并可操作以通过测量电压差确定对应于图像信号的接收强度的积累电荷量。在某些实施例中，信号分析单元经配置并可操作以确定帧期间对应于图像信号的接收强度的电荷的累积的时间表(profile)，并生成数据反映与起源所述检测事件的感兴趣区域中位置的距离。在某些实施例中，信号分析单元包括时间计数器电路，用于测量所述时间表并通过测量检测时间的花费时间产生表示距离的数据。在这方面，应该注意该时间计数器电路位于片上的电路。它可以在像素电路的内部或像素电路的外部。时间计数器电路可包括电压斜坡电路、开关和读取电容。根据本发明的另一广泛方面，提供了一种用于成像像素阵列的像素读出电路，其中读出电路包括(a)输入通道，用于接收对应于像素的光敏元素是电输出的图像信号；(b)多个电子单元，每个电子单位在所述输入通道和共同的输出读取设施之间互联，每个电子单元可经配置并可操作以通过向相同图像信号的至少一部分施加不同处理二执行不同的成像模式；(C)包括多个开关的开关装置，开关装置被连接到输入通道可并控地操作以选择性地将输入通道链接到一个或多个电子单元，从而选择性地将图像信号的至少一部分指引到一个或多个电子元件；(d)控制系统，链接到开关装置并可配置且可操作以选择性地激活一个或多个开关用于执行输入通道和一个或多个不同的电子单元之间的链接。·在某些实施例中，本发明的检测器可以以如下四种不同的操作模式操作。第一个操作模式是热成像，其具有中波IR成像(MWIR)检测器的功能和性能。第二个操作模式是双功能模式，包括热成像和每个像素的异步激光脉冲检测(ALPD)的信息。通过检测专用像素内电路用于通过其时间表识别快速变化信号而显著增加激光脉冲的探测概率。由于每个像素有内部处理用于识别电磁波辐射的脉冲，也可以测量触发和检测脉冲之间的逝去时间。这样产生了第三种操作模式，其中检测器与脉冲源(例如激光)同步，并成为二维激光测距仪(TLRF)。第四种操作模式致力于例如对于短波红外(SWIR)带的低噪声成像(LNM)，其中IR红外辐射信号较低。其可用于被动或主动成像。在某些实施例中，读出电路也可经配置或可操作以选择性地以多个不同的操作方式之一操作(一次一个)。读出电路接收像素输出电流并根据所选操作模式生成处理数据。读出电路执行多种不同的数据处理模式，提供关于从其收集数据的感兴趣区域的不同类型的信息。为此，读出电路具有多个(通常为四个)单独数据处理通道，每一个都有它自己的电路。读出电路包括开关装置(开关的合适布置)，其响应光电二极管的输入并可控操作以选择性地切换一个或多个电路。为此，开关装置定义不同的输入电路，特征在于对应于由所选电路执行的操作模式的预定转换增益。一般而言，对于任何成像模式，读出电路一般特征在于到读出电路输出(电压)的预定转换增益，即读出电路的输入的转换(对应于光电二极管的输出的电荷)。这样的转换增益通常由读出电路的电容定义。在某些实施例中，电路之一包括电容单元，其包括至少一个电容，可控地连接到输入通道用于积累在单帧周期对应于由像素产生的图像信号的的至少一部分的电荷，并连接到输出读取设施用于向其传送图像数据。在成像像素阵列中集成的本发明的集成读出电路提供多模式检测系统，用于以多模式检测来自光学和检测元件的单个集合的图像数据。这些不同的模式功能上如下定义a)常规成像，是通过像素矩阵的图像采集模式，所有像素同时暴露在感兴趣区域的光线下，以及其电子输出被检测并进一步读取。
b)低噪声成像，是与常规成像不同的图像采集模式，从而显著提高转换增益并对于相对弱信号获得更高的信噪比。该模式通过使用更小的集成电容实施。换句话说，常规成像和低噪声成像模式的转换增益之间的比率较高，例如几个数量级。低噪声成像对于整体像素矩阵检测数据使用极高的电荷电压转换率。c)在单像素和单帧周期事件中，事件在帧中的事件检测和空间位置(在二维空间的焦平面中)。该模式可以检测发生的事件以及确定特定事件在感兴趣区域中的位置。事件检测输入电路经配置并可操作以检测在单帧周期任意给定的像素的电荷积累并识别积累率的突然改变。输入电路因此实时检测电流变化。通过测量单帧中表示幅度变化(例如，激光脉冲、射击等)的电流改变而检测事件。某些实施例中，通过测量电流差异而非集成该电流而检测电流的变化。d)时间尺度事件位置(电磁脉冲)并登记事件时间。通过检测与事件的距离(借助飞行时间测量)而实施事件定位模式；对于像素矩阵关于感兴趣区域的给定方位。为了正确测量距离，飞行时间的测量通过触发单元具体触发，所述触发单元互连在广电二极管和包括读出电路的对应开关的时间计数器电路之间。来自广电二极管并同时产生的信号致动触发单元。该模式因此使得基于“飞行时间”的测量测距，利用由触发单元设定的开始点。触发单元启动时间计数器电路，所述时间计数器电路经配置并可操作以测量距离。在这两种模式(C)和⑷中，通过使用带通滤波器去除所检测信号的DC分量。因此，检测感兴趣的频带中的AC分量的变化，因此增加事件检测和定位(在空间和时间中)的灵敏度。在本发明的某些实施例中，读出电路能执行包括所有这些模式的模式(a) - (d)的任何组合。在本发明的其他实施例中，读出电路能执行模式(a)和(b)的组合，即常规成像模式和低噪声成像模式。以快照方式实现这些模式中的每个，即由检测像素阵列中所有像素同时地实行。可使用这些模式的显著不同的转换增益交替地实施(一次一种)常规成像和低噪声成像。一般来说，常规成像模式和低噪声成像模式之间的增益比例相差三个数量级。因此，这些不同的成像模式适于不同的应用和不同光谱范围。读出电路因此可以混合光谱检测。在本发明的另一个实施例中，读出电路能执行模式(b)和⑷的组合，即使用低噪声检测电路的输出作为测距电路校准的输入。在某些实施例中，电路之一包括信号分析单元，可控地链接到输入通道用于接收并分析在单帧周期由像素产生的至少部分图像信号，并连接到输出读取设施。在单帧周期由像素产生的至少部分图像信号的分析包括确定对应于所接收的至少部分图像信号的积累电荷量，并一旦检测到积累的电荷量满足预定的条件则生成指示检测事件的数据，并将所述数据发送到输出读取设施。在某些实施例中，电路的至少之一经配置并可操作以快照方式获取图像信号。附图简述为了理解本发明并知晓其如何实际执行，现在将参考附图，仅仅通过非限制性示例描述实施例，其中

图1A-1B是本发明的集成读出电路的一般原理功能布局；、
图2是本发明的集成读出电路的常规成像模式的可能原理配置；图3是本发明的集成读出电路的低噪声模式的可能原理配置；图4是本发明的集成读出电路的事件检测模式结合常规成像模式的可能原理配置；图5是本发明的集成读出电路的事件检测模式和测距模式的可能原理配置；图6是本发明的集成读出电路的可能原理配置，其中同时实施四种不同的检测模式；图7呈现在本发明的集成读出电路的常规成像模式中噪声等效温差(NETD)直方图；图8呈现在本发明的集成读出电路的常规成像模式中噪声等效温差(NETD) 2D分 布；图9呈现在本发明的集成读出电路的常规成像模式中整体剩余非均匀性(RNU)；图10呈现在本发明的集成读出电路的低噪声成像模式中噪声等效功率(NEP)直方图；图11呈现在本发明的集成读出电路的低噪声成像模式中噪声等效功率(NEP) 2D分布；图12呈现在本发明的集成读出电路的低噪声成像模式中整体剩余非均匀性(RNU)；图13呈现在本发明的集成读出电路的低噪声成像模式的纠正图像55%井填充的纠正图像；图14呈现本发明的集成读出电路的事件检测模式的误警报率(FAR)和脉冲检测灵敏度随阈值电压(Vth)的变化；图15呈现本发明的集成读出电路的测距模式的误警报率(FAR)和脉冲检测灵敏度；图16呈现本发明的集成读出电路的的测距模式的灵敏度直方图，时间跨度为30 μ sec, FAR 等级为 O. 2% ;图17A-17B呈现本发明的集成读出电路的测距模式的激光脉冲延迟(17A)和偏离线性拟合(17B)随信号的变化；图18呈现本发明的集成读出电路的测距模式的剩余不均匀性随时间延迟的变化；以及图19呈现本发明的集成读出电路的测距模式的对于2. 2 μ sec的测量时间延迟的纠正2D地图。发明详述 本发明提供在成像像素阵列中集成的像素读出电路，其中所述读出电路可以同时或几乎同时实施(即，通过处理相同帧的数据)特定模式，其使用取决于从检测器传送到读出电路的输入信号的特征，或可以取决于读出电路所需的输出信号的特征。参见图1A，说明在任何类型的有源矩阵光检测器(二极管阵列)中集成像素读出电路100。例如，有源矩阵光检测器可以是InSb FPA的不同类型，格式为320x256、480x384和640x512元件，间距范围为15-30 μ m。二极管阵列可以是在[I](平面技术)中所述处理中产生的InSb 二极管。为了使能ROIC的各种功能，本发明的像素电路包括开关集合、电容、放大器和存储器。通过控制开关和像素内的偏置电平，可以根据预定的操作模式实施不同的功能。在某些实施例中，读出电路100包括多个电路103 ;连接到每个电路(103A-103D)的开关布置105 ;以及连接到开关布置105并可配置并可操作以选择性地致动一个或多个不同电路103A-103D的控制系统107。每个电路103A-103D经配置并可操作从成像像素阵列101接收图像信号，所述成像像素阵列101定义输入通道。集成读出电路100从对应于光电二极管阵列的电输出的输入通道101连续接收整个像素矩阵检测数据，并根据所选操作模式通过使用数字输出处理器产生处理数据，每个操作模式由不同电路103A-103D致动。控制系统107经配置并可操作以选择性地在由不同电路103A-103D定义的不同操作模式之间切换。读出电路100因此执行多个不同的数据处理模式，提供关于从其收集数据的感兴趣区域的不同信息类型。为此，读出电路具有多个(通常为四年)单独的数据处理通道103A-103D，每个都有自己的电路。开关装置105 (合适的开关布置)响应于输入通道 101 (例如，光二极管数据)，并可控地操作以选择性地切换电路103A-103D中的一个或多个。开关装置105经配置并可操作以致动不同的输入电路，特征在于对应于由所选电路执行的操作模式的转换增益。本发明的数字ROIC可具有如下操作模式的至少之一，其功能可定义如下(i)标准IR成像(SIM)或常规成像模式103A，作为像素矩阵的图像获取模式，所有像素被暴露在感兴趣区域的光线下，以及它们的电子输出被检测并进一步读取；(ii)低噪声成像模式103B，不同于常规成像的图像获取模式，具有显著更高的信噪比(代价在于可积累的最大电子量)单像素和单帧的事件检测模式103C模式；(iv)时间尺度事件定位模式103D(电磁脉冲)，其中登记事件时间。读出电路100能执行(i)-(iv)的组合。参见图1B，示出读出电路的功能元件的一般原理说明。检测器101响应入射在检测器101上的光子产生载流子。在该具体而非限制的示例中，检测器是基于P-η结构。然而，需要理解本发明并不局限于该示例，检测器可以采用n-p结以及其它合适的配置。由检测器产生的载流子产生的电荷导致检测器101上的电压变化。该电压变化产生读出电路的输入信号(二极管数据)，然后输出电流或表示输入信号的电荷。例如，当输入信号具有特定幅度时，读出电路可在第一模式下运行，其中输入信号可以被放大到可测量水平，并当输入信号具有有另以幅度时，读出电路可以交替模式运行，其中使用不同放大读取输入信号。此外，一个以上的模式可以用于读取/处理相同的输入信号。在某些实施例中，读出电路的操作模式的选择可以被手动或自动地致动。例如，该控制系统可以使得自动选择读出电路的合适操作模式。在这个图里，不同的模式被如下定义(i)常规成像模式103A，例如中波IR成像(MWIR)，其中输入电路被标识为被动输入级别；(ii)低噪声(极高增益)输入阶段(LNM) 103B，其中输入电路被标识为主动输入级；(iii)单像素和单帧的事件检测模式103C，由异步激光脉冲检测(ALPD)定义；(4)时间尺度事件定位模式103D (激光脉冲)，其中时间时间的登记被定义为二维激光测距仪(TLRF)。在这方面，需要注意在被动输入级，电路具有的组件不能借助另一电信号控制电流。低噪声输入级具有主动输入级，其中电路组件可以电子控制流经的电流(电力控制电力)。事件检测模式可以侦测任何类型的偶然脉冲(先前非已知)，并和图像采集异步。所有的处理输出信号被传送到输出缓冲模块(下文也称为读出电路)用于向ADC传送所处理的信号数据。参见图2，标识常规成像模式的可能像素结构配置。该模式是通过像素矩阵进行的图像采集模式，所有像素暴露在感兴趣区域的光线下，它们的电子输出被检测并进一步读取。图2的电路对应于像素阵列中的单一像素。控制系统107通过关闭集成开关207激活该模式。光电检测器201产生的输入信号经过输入通道提供到电容单元(包括集成电容205)并在某个时间段(集成时间)内集成。例如，集成电容205具有几百万电子(Me)的完全电容容量。像素信号可以通过直喷式(DI)读出电路读取到内部电容。集成电容205可包含由控制系统107经过串行通信选择的两个读数电容。这两个读数电容器可具有显著不 同的电容值。大电容可在集成然后读取(ITR)以及集成同时读取(IWR)模式下读取，而较小电容只在ITR模式下可操作。优选地，常规成像模式以及其他模式(如下文描述)利用快照集成。换句话说，像素单元结构被配置成允许同时集成像素阵列，因此提供“快照”的形象(矩阵中所有信号同步信号采集和同步)。控制系统107经配置以提供电压读取，并选择性地在如下运作模式之间切换集成人后读取(ITR)和集成同时读取(IWR)。串联到电容单元的读取设施204从电容205接收所处理的图像信号数据并经过开关307将处理后的信号数据发送到列线203。集成时间对于稳定的场景尺寸是灵活的，例如超过O. 5 μ S。参见图3，示出低噪声像素成像模式设计的可能原理配置。该模式是用于低流量场 景的高增益模式。在该模式中，二极管电流馈送电容反阻抗放大器(CTIA)阶305。CTIA阶305使得使用非常小的电容(几十Ke)，并提供稳定的二极管的偏置。对于低流量应用，检测极低的暗电流是必需的。因此，可实施对于极低的暗电流的改进的InSb制造处理，并且检测器在68Κ运行。可实施可替换方案以便实现低暗电流。例如，使用诸如InGaAs、H0T、CMT或InAsSb栅二极管的探测物质，这些物质可以在更高的操作温度下操作，并同时保持足够的低暗电流。该模式也可以用于操作高通量及极短的积分时间(例如，有源成像中同步激光照明方案)。在这种情况下，低暗电流并不是必须的。类似于图2的电路，图3的电路对应于该像素的阵列中的单个像素单元。通过有效地启动开关电容集成器(保持电容)213来取代电容集成器205实现低噪声，高灵敏度的模式，所述电容集成器205具有比保持电容更高的容量。该模式是不同于常规成像模式的图像采集模式，对于弱信号具有显著更高的信噪Ito由光检测器201产生的输入信号被提供到放大器(例如，电容反阻抗放大器CTIA)305的输入。并联到放大器305的反馈电容301提供放大器305的反馈路径。并联到电容301和放大器305的复位开关303当关闭时复位光检测器201。开关307当闭合时向列线203提供输出通道。放大器305具有不同的输入，使得通过在参考电平维持由光检测器201产生的输入信号而直接控制检测器偏置电压。输入信号然后馈送到包括持有电容213的电容单元并在预定时间间隔(集成时间)集成。保持电容的大小有所不同，因为它存储CTIA的输出电压。电荷积累在CTIA 305中，在较小的电容(几十Ke)中。低噪声模式因此与成规成像的不同在于具有显著更高的集成时间(较小电容)。常规成像和低噪声成像模式的转换增益之间的比例较高，例如几个数量级。低噪声成像对于整个像素矩阵探测数据利用极高的电荷至电压转换比。一般而言，常规成像(图2)和低噪声成像模式(图3)的增益之间的比例相差是三个数量级。因此，这些不同的成像模式(常规和低噪声)可适用于不同的成像应用和/或不同的光谱范围。低噪声模式可具有高达250赫兹(13位)的满矩阵帧速率。控制系统107经配置以提供集成然后读取(ITR)操作模式。并联连接到保持电容213的读取设施204从保持电容213接收所处理的低噪声图像信号数据并经过开关307将所处理的信号数据传送到列线203。本发明的检测器因此能够混合光谱检测。最小的集成时间相对较短，例如以几个I μ s等级。该控制系统107然后可以选择性地以交替方式(例如每帧)激活(关闭)集成开 关207 (图2)或高增益集成开关105 (图3)，以至于一次关闭一个开关。集成开关207的关闭激活电容单元，例如如图2所示的包括集成电容205的常规成像采集电路，而高增益的集成开关105的关闭激活如图3所示的包括保持电容213的低噪声成像采集模式。在这方面，需要理解图2和图3所示的电路可组合在相同电路中。参见图4，示出单像素、单帧的事件检测模式的可能配置。该事件检测(ALPD)模式涉及侦测短脉冲光(异步)，同时提供IR图像。内部电路检测进料流量的短脉冲。对于每个像素，指定位指定自动上次读取是检测脉冲。内部电路经配置并可操作以和检测激光位置相比通过图像处理提供改进的灵敏度。这是由于这样的事实检测电路几乎不受信号噪声的影响。ALH)模式中光二极管信号经过缓冲直喷式(BDI)电路(未显示)读取到内部电容。同样，在该模式中，两种不同的集成电路可使用。在这种情况下，IWR模式仅对较大电容可用，而ITR模式可供两个电容使用。BDI电路和直喷式(DI)读取相比使得改进的二极管偏置稳定性，这在电磁脉冲引起的剧烈流量变化中是所需的。然而，BDI的实施相对于SIM模式付出降低动态范围(对于每个电容)近1/3的代价，并增加功率的消耗。在该模式下，从而获取具有不同输入级(BDI)的图像。该成像模式的其他特征和参数类似于常规成像模式。读出电路因此能够通过单像素单帧执行事件检测，并从而在所述帧中定位该事件。在每个像素中实施该模式。事件检测输入电路包括具有比较器的信号分析单元，该比较器经配置并可操作以检测在单帧周期对于任意给定的像素的电荷积聚并识别积累速率的的突然改变。输入电路因此实时检测电流变化。通过测量指示每帧期间辐射变化的电流变化而检测事件(例如激光脉冲)。通过将电流输入到带通滤波器(BPF)406测量电流偏移而非集成电流检测电流的变化。BPF 406去除二极管201的输入信号的DC分量。因此，检测AC分量，从而增加事件检测的灵敏度和定位(在空间和时间)。在这方面，需要注意该2D事件检测(位置，在空间)是由检测器的所有像素一起提供，而不需要处理。信号然后由信号分析单元进行分析，该信号分析单元包括比较器和触发器电路。图4的电路表示像素阵列中的单个像素读出。为实施事件检测模式，控制系统107通过关闭开关207操作电容单位(例如主动输入电路)。事件/脉冲检测因此可以和常规成像模式同时进行。常规成像信号数据经过电容单元205被提供给读取设施204。例如，每个像素对于常规成像输出15-位数据并为脉冲检测输出I-位。事件检测电路包括图2的常规成像获取电路。常规成像获取电路的操作如上所述。至于事件检测电路，它操作如下由光检测器201产生输入信号，其包括起源于相同帧内感兴趣的区域的事件信号，该输入信号被提供给包括比较器401和触发电路408的信号分析单元。输入信号被提供到结合图2所述的集成电容205并在预定时间段集成。获取图像数据的一部分(可包括事件信号)经过BPF 406进入比较器401。为了进行快速脉冲检测，比较器401应经配置以检测尽可能小的输入“ + ”和之间的电压差。比较器401传送在二进制输出通道202中以二进制输出形式输出的事件信号数据。例如，触发电路408可以是RS(复位-设置)锁。它可以由一对交叉耦合NOR逻辑门构建。存储位呈现在标记为Q的输出上。当S和R输入都低时，反馈将Q和0维持在恒定状态，0是Q的补码。如果S (设置)是脉冲高而R(复位)保持低值，则Q输出被迫高，并当S返回地址时保持高值；同 样地，如果R是脉冲高而S被保持低值，则Q输出被迫低，且当R返回低值时保持低值。因此，触发电路408经配置以锁定事件直到它从控制系统107接收复位信号。当关闭时，开关307向列线203提供输出路径。该模式能够检测短于 10 μ s的脉冲，但实质上没有下限。参见图5，示出时间尺度事件位置(激光脉冲)模式和登记事件时间的可能配置。该模式可以基于“飞行时间”测量进行测距，利用由触发单元设置的起点。通过相关于感兴趣区域对于像素矩阵的给定方位检测事件距离而事实时间尺度事件定位模式。该距离提供了脉冲的时间表。可以通过发射光脉冲并测量直到返回的延迟，或通过测量发射和反射之间的相位差异而确定该距离。时间尺度事件定位模式电路包括用于检测将定位在时间尺度的事件的图4的检测模式电路，以及用于在时间尺度定位脉冲事件的时间计数器电路。时间计数器电路包括TLRF坡道、开关501和读取电容503。换句话说，事件时间尺度定位由触发单元初始化，该触发单元由来自二极管的输入信号致动，当输入信号被产生时，或者通过比较器401由事件检测电路驱动。更确切地说，如果事件发生，包含脉冲的输入信号使得比较器信号达到阈值电压“vth”，该阈值电压由控制系统107定义，以及坡值由TLRF斜坡采样。该控制系统107连接到开关501，其响应比较器401的阈值输出变成关闭(即，作为事件信号识别的结果)。控制系统107包括“激光发射(laser-fired) ”触发单元(未显示)，向目标生成连续的序列脉冲光束。如果反射光束将从目标返回，则二极管201接收反射波束，以及对应于所接收反射信号的电压被经过BPF 406馈送到比较器401 ;如果达到特定阈值电压，则触发单元生成触发信号以采样时间值。包括TLRF坡的计时计数器电路由触发单元对于每个激光脉冲触发。该控制系统107决定TLRF斜坡的适当边坡。该时间计数器电路对于辐射脉冲连续测量时间以达到目标并返回。时间延迟不断由斜坡转换曲线转换成电压。为了使得时间尺度事件定位模式运行，控制系统107操作以关闭开关501。如上所述，当在比较器401上达到一定的电压阈值时，控制单元107关闭开关501以及斜坡的电压值被积累并在点燃503上采样，直到下一次的激光脉冲。电容503存储检测脉冲时的斜坡电压。因此，读取电容电压与飞行时间成正比。该飞行时间测量由读取设施204使用渐变转换曲线用于确定与事件的距离。读取设施204从比较器401接收所处理的事件检测数据，并同时接收所处理的事件位置数据。读取设施204经过列线203驱动像素矩阵之外的采样坡电压，用于数字化。然后读取设施204操作以将这些数据传送到二进制输出通道202。可以理解并也在图中可以看出二进制输出通道202选择性操作以通过触发电路408接收/发射和事件检测和定位和/或时间定位位置相关的输出数据。该数据因此从本发明的读出电路经过二进制输出通道202和列线203并行输出。因此，当图像采集阶段之后，使用每列两个总线(202和203)以并行方式读取像素阵列。此模式已被广泛采用于每个像素。在TLRF模式中，没有产生热图像。如上所述，涉及每个像素的时间计数器电路测量“发射激光”触发器(器输入到检测器)之间的逝去时间，以及其中反射的激光束被像素探测。因此创建视图的2D测距地图。在该模式中，功率消耗也相对较高。因此，可以实施操作子窗口。需要注意一般来说，激光测距仪的激光斑仅涵盖图像中的数十像素。因此，在32 X 32像素的子窗口中操作该模式通常就足够了。可以通过串行通信改变子窗口的数量和它们在阵列中的位置。在这种情况下，像素读出电路提供两个输出事件时间(电压)，和事件检测(二进制)。参见图6，示出相同电路中的四种模式的实施。该图是不证自明的。控制系统107·选择性地打开/关闭一个或多个开关(103A-103D)用于交替地或同时地如上所述启动/关闭一个或更多的成像模式。在某些实施例中，控制系统107可以将每帧低噪声检测电路的输出指引到测距电路校准的输入，以至于低噪声检测电路的输出在一帧处理用于校准另一帧。因此在帧的基础上在模式TLRF、LNIM, ALPD之间切换。这样允许设计符合应用需求的灵活的操作序列。在IR系统中利用本发明的检测器可导致下列优点具有短波红外(SWIR)和“常规”热(MWIR)呈现功能的系统提供较好的战场定位和信息。通过从场景反射的光子产生SWIR图像，类似于可见带图像；因此，和丽IR带中放射图像相比，观察者的解释更直观。使用本发明检测器的分析和现场试验显示了对于SWIR-带成像的重大优势，在略逊于完美大气条件的频繁场景中。基本上，对于给定光圈，可见带解析并因此的图像质量应该优于较长波长带(如SWIR或丽IR带)。然而，当考虑真实的和频繁的大气条件时，以上并不成立。MWIR和SWIR频带和可见频带相比通过粒子更易于观察。然而，每个给出孔径，MWIR空间分辨率远远低于可见频带。这正是使用SWIR的“契机”:对于给出的孔径，其比起丽IR频带大约两到三倍更好的空间分辨率，以及和可见频带相比更好的大气渗透性。此外，当考虑对于可见频带图像的湍流影响，SWIR波段可成为用户的首选。使用对于MWIR和SWIR波段的相同检测，并合理设计光学系统，可以几乎理想地使用这两个波段。通过利用两个独立的检测器(第一个对于丽IR，以及第二个对于SWIR(例如，InGaAs矩阵))不能被轻易的实现，这是由于两个独立的光学路径的固有局限性。此外，对于两个波段的一个检测器解决方案也产生整体成本低的系统。此外，本发明的检测器的ALPD模式对系统给出真正的“观察点”(激光指示器现场检测能力。在当前可用系统中，通过积累激光点光子和相同FPA像素上场景热光子实现观察点功能；因此，这些系统在具有较高等级背景中遭受相对有限的观察点范围。本发明的检测器上区分由对象连续发出或反射的“正常”的图像光子以及来自激光指示器脉冲的光子。本发明的检测器的独特区分机制使得更容易看见激光点，即使是在激光光子被“淹没”在其他场景信号的场景中。用来使激光点成像的另一项传统技术在于加入具有很狭窄的带通滤波器的CCD或CMOS摄像机，波长在I. 06 μ m。该方法有两个缺陷(a)只在白天有用，用户可看见激光点后的现场。(b)尝试将点图像数字投影到MWIR可遭受保留限制，以及现场校准克服它们的需求。本发明的检测器的对于普通场景给出激光点的直接真实的图像，并具有零保留效果用户总是看见实质激光瞄准的位置，甚至对小目标。
本发明的检测器的另一改进功能在于TLRF模式。为了使用该模式实施激光测距仪，系统开发者只需要向其系统添加脉冲激光源，而不需要另一个检测器。其余的工作由本发明的检测器进行，从而简化并降低系统的成本，对于当前方案的主要优势在于用户看到被测量的确切对象(测距)。这是由于如下事实实现的用于热成像的相同像素是测量飞行时间的那些像素。这个特点使系统测量像人类的小目标的距离，这是由于不用担心视轴(boresight)保持效果，如同使用单独LRF和热成像的当前系统。当正设计合适的光学系统时，TLRF模式的系统分析表明类似于目前应用在市场上可用系统的那些，使用脉冲激光对于使用雪崩光电检测器(APD)的当前常规方案在接收器上给出等效测距。现在参见图7-9，呈现以实验Dewar为特征的常规成像模式的本发明检测器的性能结果。检测器的标准模式的高辐射性能最好由四个主要参数表示噪声等效温差(NETD)、残余不均匀(RNU)、像素可操作性和图像质量。以50%的井填充(well-fill)测量NETD直方图如图7所示。在27°C的扩展黑体前面采用3. 6-4. 9 μ m编码过滤器的F/4孔径进行测量。如同标准S⑶InSb检测器一样达到低NETD。此外，NETD的直方图围绕均值对称并具有相对较窄的分布。2D NETD分布如在图8呈现，其表明具有随机分布的高NETD均匀性。比例是mK。图9表示对于在不同黑体温度和稳定集成时间测量的20-80%井填充能力的2-点校正之后的RNU。每个点是64个连续帧的平均。RNU被呈现在整个动态范围上的空间标准偏差(STD)的单元中。可以看出，本发明的检测器的常规成像模式中的RNU对于该测距的信号低于O. 03% STD/全测距。该结果表明对于广泛的井填充可以获得高质量的图像。最后，使用和在标准InSb检测器中相同的缺陷识别标准测量本发明的检测器的常规成像模式中的像素可操作性。该标准包括缩短和错断像素、NETD缺陷、RNU缺陷和不能正常运行的其他像素。常规的可操作性好于99.9%。如上所述，LNIM模式涉及很低的光等级成像，因此只有MWIR辐射被冷过滤器阻断时才使用它，或在具有很短的集成时间的主动成像中。暗电流和光电流相比应较低。通过在68K的温度操作检测器可达到每像素35fA的极低暗电流。被动(较长集成时间)LNM模式的辐射性能如图10-13所示。采用F/4孔径以及I. 2-2. 5 μ m冷过滤执行所有测量，并在集成球的输出面临I. 5μπι均匀照射。为了获得最好的性能，使用像素相关双采样(CDS)。在这个光谱范围中，噪声等效功率(NEP)是用于定义灵敏度的关键参数，而非NETD。阵列的常规NEP直方图如图10所示，其中集成时间是2msec及其二维分布呈现在图11中。在图12中，表示线性拟合纠正之后的LNIM的RNU，随着在不同照射水平和持续集成时间测量的井填充能力而改变。每个点是64个连续帧的平均。RNU呈现在全动态范围上STD的单元中。LN頂模式中的RNU对于20-60%井填充能力之前的信号低于O. 3% STD/全测距。在图13中呈现LNM中的纠正图像，其表示“白色空间噪声”。尺度在数字化等级。正如已经提到的，在ALH)操作模式中，检测器同时在每个像素产生IR图像(高达15位)和脉冲寻信息(一个其他位)。ALPD模式中的脉冲检测的两个参数是误警报率(FAR)和脉冲检测灵敏度。FAR被定义为每帧像素的平均比例，表示当没有脉冲出现在检测器的FOV中时脉冲的到达。ALPD灵敏度是每个像素的最低脉冲强度，检测器表明在帧的至少90%中的事件。FAR和ALH)灵敏度可以通过检测器灵敏度阈值水平Vth进行调谐。它使得在公差较高FAR等级的应用中增加检测器灵敏度。可替换地，它可以根据现场改变检测器灵敏度。由于FAR像素的空间和时间分布，对于操作多个重复(激光)脉冲的大多数应用，很容易在系统级别区别FAR和激光事件，即使具有相对高的FAR等级。在任何阈值水平Vth没有发现FAR像素群，所以可以轻易地识别覆盖以上以上像素的激光光点。此外，每个像素具有其常规FAR等级，像素FAR(PFAR)，其可被储存在存储表中，因此警报率的变化应指示真实事件。可替换地，FAR缺陷可以被定义和标记，因此显著降低FAR等级。FAR和灵敏度经测量为100个连续帧的平均。常规FAR等级对于整个阈值Vth范围从O. 1%至10%，以及灵敏度不同于lOOOe/pixel。图14显示FAR和中值灵敏度随着Vth的改变。具有阈值等级的FAR的指数下降是高斯噪声有限检测的常规性能。 可以使用量子效率是 O. 8的事实计算外部像素对光脉冲(光子/像素)的灵敏度。如上所述，确定与物体的距离的普遍方法是通过向目标发射激光脉冲并测量脉冲传送和反射信号检测之间时间延迟t。例如，检测器可以与激光同步或反之亦然。在本发明的检测器中，这是通过触发系统产生的脉冲执行的，其标志着开始计时。在检测器表征的这一阶段，通过使用同步模式简化测试，所以当检测器与激光同步时执行这里呈现的结果。测量设置包括激光、脉冲发生器、激光衰减器、分光镜、用于激光脉冲监测的快速二极管、光学和实验Dewar。脉冲发生器由来自检测器的帧开始脉冲触发。它产生给定延迟的信号并具有可控脉冲宽度。该信号用于驱动I. 064 μ m脉冲激光二极管。激光功率的特点是每个像素的LNM活跃模式，以及振幅受到衰减器的控制。通过改变激光脉冲延迟(而非实际距离)测量飞行时间。时间跨度在3-120 μ sec之间的离散步骤改变。在TLRF模式中，FAR及灵敏度以和ALH)模式中的相同方式定义。如同在ALTO模式中，同样的阈值等级Vth控制TLRF模式中的FAR和灵敏度。图15显示对于小时间范围3(或eysec)测量的FAR和中值TLRF灵敏度，vs阈值电平vth。较大的时间跨度对于相同灵敏度具有低于10% —20%的FAR。对于低vth，检测器是非常灵敏的并几乎所有像素都被定义为误警报。当增加Vth时，FAR成指数减少，以及灵敏度也如此。如同在ALPD中，在TLRF模式中，FAR缺陷可以被定义并储存，以至于FAR等级显著降低。时间跨度30 μ sec以及FAR等级为O. 2%的常规TLRF灵敏度直方图如图16所示。在TLRF模式中，在数字电平(DL)来自探测仪的信号被测量作为不同时间跨度的激光脉冲延迟的函数。对于每个时间跨度，需要新的信号至测距校准。可以使用线性拟合或标准二点校正，但是二次拟合改进结果，尤其是接近结束点。参见图17A-17B，表示激光脉冲延迟(17A)和线性拟合偏离(17B)随着测量TLRF信号而改变。其表明与线性拟合的偏离对于最短时间跨度3 μ sec小于3nsec。对于不同时间跨度同样对于32x32的像素窗口计算空间RNU。测量和分析步骤如下首先，对于不同的激光脉冲的延迟记录作为100个连续帧的平均的TLRF信号测量集合。该集合用于寻找每个像素的二次拟合。然后，该拟合被应用于第二测量集合，其中一个帧只记录一次。所述测距的RNU被计算为每个延迟的纠正TLRF 2D地图的空间(2D)标准偏差。图18表明RNU对于3 μ sec时间跨度的整个动态测距小于时间跨度的大约O. 1%。对于最短时间跨度，RNU小于3nsec。图19呈现对于2. 2 μ sec激光延迟最短时间跨度(3 μ sec)的纠正时间2D地图。尺度是μ sec，以及时间跨度是3 μ sec。检测器信号也被测量为在1000-20000e/像素的脉冲在相同激光脉冲延迟的激光脉冲强度的函数。对于低于5000e/像素的较低激光脉冲强度，像素时间响应的变化引起其他的延迟。如果强度未知，则所测量飞行时间的不确定性可以是时间跨度的大约O. 2%。对于具有重复激光脉冲的应用，检测器可以以积极LNM/TLRF组合模式操作，以及由主动LNIM测量的强度可用于纠正低强度脉冲的其他延迟。通常，该其他延迟与激光脉冲强度的倒转成正比。如下表I概括了在TLRF模式的本发明的检测器的性能。
权利要求
1.一种用于成像像素阵列的像素读出电路，所述像素读出电路包括 接收对应于像素的光敏元素的电输出的图像信号的输入通道； 在输入通道和输出读取设施之间互联的电路，所述电路包括 包括至少ー个电容的电容单元，可控地链接到输入通道用于累积在单个帧期间由像素产生的接收强度对应的电荷，并连接到输出读取设施用于向其传送图像数据，以及 信号分析単元，可控地链接到所述输入通道，用于接收并分析在单帧周期由所述像素产生的所述图像信号的至少部分，并连接到所述输出读取设施，所述信号分析单元经配置并可操作以通过如下操作分析所述图像信号的至少一部分确定对应于所述所接收强度的积累电荷量，并一旦检测所述积累电荷量满足预订条件，则产生指示所产生事件的数据并将所述数据发送到所述输出读取设施。
2.如权利要求I所述的像素读出电路，其中所述像素读出电路经配置以改变电容单 元的转换增益以在单帧周期提供至少ー个电容的电荷累积的所选集成时间，从而选择性地提供具有分别对像素操作更高和更低信噪比的不同图像获取模式。
3.如权利要求I或2所述的像素读出电路，其中所述像素读出电路包括多个至少两个电子单元，每个互连在所述输入通道和所述输出读取设施之间，所述输出读取设施对于所有电子单元是共用的，每个电子单元经配置并可操作以通过向相同图像信号的至少一部分应用不同处理而执行不同的成像模式，所述像素读出电路因此可操作于至少两个不同检测模式中。
4.如权利要求2所述的像素读出电路，包括开关装置，链接到所述输入通道并可配置以选择性地将至少部分图像信号指引到电路的ー个或多个单元。
5.如权利要求I至4中任一项所述的像素读出电路，其中所述信号分析単元包括比较器，其经配置并可操作以通过測量电压差确定对应于图像信号的接收强度的积累电荷量。
6.如权利要求I至5中任一项所述的像素读出电路，其中所述信号分析单元经配置并可操作以确定帧期间对应于图像信号的接收强度的电荷的累积的时间表，并生成数据，用于反映与起源所述检测事件的感兴趣区域中位置的距离。
7.如权利要求6所述的像素读出电路，其中所述信号分析単元包括时间计数器电路，用于测量所述时间表并通过測量所检测事件的飞行时间产生表示距离的数据。
8.如权利要求I至7中任一项所述的像素读出电路，包括控制设施，经配置并可操作以选择性地将所述分析设施链接到所述输入通道。
9.如权利要求3至8中任一项所述的像素读出电路，包括控制设施，经配置并可操作以选择性地操作所述多个电子单元之一。
10.如权利要求3至9中任一项所述的像素读出电路，其中所述至少两个电子单元经配置以使得至少两种不同的检测模式，包括如下的至少两种(a)感兴趣区域的常规成像；(b)和常规成像的相比，以电容単元显著更高的转换增益并因此对于相对弱信号更高信噪比为特征的低噪声成像；(C)事件检测以及通过单像素和单帧周期检测的事件的空间位置，以及(d)时间尺度事件位置和所述事件时间的登记。
11.如权利要求10所述的像素读出电路，其中经配置用于低噪声检测的所述单子単元可操作以将每帧低噪声检测单元的输出传送到经配置用于时间尺度事件位置和登记的电子単元的输入使得对其校准，以至于所述低噪声检测电路的输出在一帧进行处理以校准另一中贞。
12.一种用于成像像素阵列的像素读出电路，所述读出电路包括 输入通道，用于接收对应于像素的光敏元素是电输出的图像信号； 多个电子单元，每个电子单位在所述输入通道和共同的输出读取设施之间互联，每个电子单元可经配置并可操作以通过向相同图像信号的至少一部分施加不同处理二执行不同的成像模式； 包括多个开关的开关装置，所述开关装置被连接到输入通道可并控地操作以选择性地将输入通道链接到一个或多个电子单元，从而选择性地将图像信号的至少一部分指引到一个或多个电子元件；以及 控制系统，连接到所述开关装置并可配置且可操作以选择性地激活一个或多个开关用于执行输入通道和一个或多个不同的电子单元之间的链接。
13.如权利要求12所述的像素读出电路，其中所述至少两个电子单元经配置以使得至少两种不同的检测模式，包括如下的至少两种(a)感兴趣区域的常规成像；(b)和常规成像的相比，以电容单元显著更高的转换增益并因此对于相对弱信号更高信噪比为特征的低噪声成像；(C)事件检测以及通过单像素和单帧周期检测的事件的空间位置，以及(d)时间尺度事件位置和所述事件时间的登记。
14.如权利要求13所述的像素读出电路，其中所述电路之一包括具有至少一个电容的电容单元，可控地链接到所述输入通道，用于积累对应于在单帧周期由所述像素产生的所述接收强度的电荷，并连接到所述输出读出设施用于向其传送图像数据。
15.如权利要求13或14所述的像素读出电路，其中所述电路之一包括信号分析单元，可控地链接到所述输入通道，用于接收并分析在单帧周期由所述像素产生的所述图像信号的至少部分，并连接到所述输出读取设施，所述分析包括确定对应于所述所接收强度的积累电荷量，并一旦检测所述积累电荷量满足预订条件，则产生指示所产生事件的数据并将所述数据发送到所述输出读取设施。
16.如权利要求15所述的像素读出电路，其中所述信号分析单元包括比较器，经配置并可操作以通过测量电压差而确定对应于所述接收强度的积累电荷量。
17.如权利要求15或16中任一项所述的像素读出电路，其中所述信号分析单元经配置并可操作以确定帧期间对应于图像信号的接收强度的电荷的累积的时间表，并生成数据，用于反映与起源所述检测事件的感兴趣区域中位置的距离。
18.如权利要求17所述的像素读出电路，其中所述信号分析单元包括时间计数器电路，用于测量所述时间表并通过测量所检测事件的飞行时间产生表示距离的数据。
19.如权利要求13至18中任一项所述的像素读出电路，其中所述控制系统经配置以选择性地改变所述电子单元中至少一个的电容单元的转换增益以在单帧周期提供至少一个电容的电荷累积的所选集成时间，从而选择性地提供具有分别对像素操作更高和更低信噪比的不同图像获取模式。
20.如权利要求13至19中任一项所述的像素读出电路，其中所述电子电路中至少之一经配置并可操作以快照方式获取图像信号。
全文摘要
一种用于成像像素阵列的像素读出电路，所述像素读出电路包括接收对应于像素的光敏元素的电输出的图像信号的输入通道；以及在输入通道和输出读取设施之间互联的电路，所述电路包括电容单元和信号分析器。所述电容单元可控地链接到输入通道用于累积在单个帧期间由像素产生的接收强度对应的电荷，并连接到输出读取设施用于向其传送图像数据。所述信号分析单元可控地链接到所述输入通道，用于接收并分析在单帧周期由所述像素产生的所述图像信号的至少部分，并连接到所述输出读取设施，所述信号分析单元经配置并可操作以通过如下操作分析所述图像信号的至少一部分确定对应于所述所接收强度的积累电荷量，并一旦检测所述积累电荷量满足预订条件，则产生指示所产生事件的数据并将所述数据发送到所述输出读取设施。
文档编号H04N5/378GK102740012SQ20121010744
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月12日 优先权日2011年4月13日
发明者E·伊兰, R·多布鲁密斯林, S·埃尔坎 申请人:半导体器件-埃尔法特系统-拉法合伙公司