一种自动扩展动态范围的读出电路的制作方法

1.本技术实施例涉及红外热成像技术领域，尤其涉及一种自动扩展动态范围的读出电路。


背景技术：

2.红外热成像技术是通过将物体的辐射热电磁波转换为电信号，进而通过读出电路读取电信号以呈现物体图像的技术。由于传统的读出电路采用全局增益控制的方式，当读出电路处于低增益模式时，读出的动态范围较大，但信号的信噪比较差；当读出电路处于高增益模式时，对常温物体有着较高的信噪比，但对于高温物体会发生溢出，基于此，对于既有高温部分又有低温部分的物体，难以通过传统的全局增益的方式得到较高信噪比的热图像。
3.为了得到高信噪比的热图像，通常采用动态增益的方式，对每个像素采用不同的增益进行处理，以提高电路可处理的信号范围。但是这种方法得到的数据并非原始数据，还需要在片外对不同增益模式下的数据做单独的校正，以恢复原始数据，增加了系统的存储代价以及标定代价。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种自动扩展动态范围的读出电路，能够将复杂的片外恢复数据的操作在片内实现，同时得到高信噪比的热图像。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种自动扩展动态范围的读出电路，所述读出电路包括：至少一个列通道、列选输出模块，其中，所述至少一个列通道中每个列通道包括：初始电信号读取电路、增益控制逻辑模块和电信号转化电路，
6.对应任一列通道：
7.所述初始电信号读取电路用于输入待成像物体热辐射对应的电信号，以及将所述电信号输出至所述增益控制逻辑模块；
8.所述增益控制逻辑模块用于确定对所述电信号的增益值，以按照所述增益值对所述电信号进行放大，并输出放大后的电信号；
9.所述电信号转化电路输入所述放大后的电信号，以及根据所述增益值将所述放大后的电信号转换为所述列通道对应的图像数据，并将所述图像数据输入至所述列选输出模块；
10.所述列选输出模块输入所述至少一个列通道的图像数据，以及逐列输出所述至少一个列通道的图像数据，以呈现所述待成像物体的热成像。
11.在一种可选的设计中，所述初始电信号读取电路包括：至少一个行像素电路、差分电流产生前端，其中所述差分电流产生前端用于输入所述至少一个行像素电路的阻值，以输出差分电流。
12.在一种可选的设计中，所述增益控制逻辑模块包括：模拟读出电路，所述模拟读出
电路用于输入所述差分电流，以及根据所述增益值对所述差分电流进行放大，并输出所述放大后的电信号。
13.在一种可选的设计中，所述电信号转化电路包括：列级adc模块，所述列级adc模块用于输入所述放大后的电信号，以对所述放大后的电信号量化并输出数字码值。
14.在一种可选的设计中，所述电信号转化电路还包括：自校零及扩展逻辑模块，所述自校零及扩展逻辑模块用于输入所述数字码值，以及根据所述增益值对所述数字码值进行扩展，输出所述图像数据。
15.在一种可选的设计中，所述增益控制逻辑模块用于确定对所述电信号的增益值，包括：
16.所述增益控制逻辑模块根据列外或者片外的输入信息，以输出所述增益值；或者，
17.所述增益控制逻辑模块根据所述列级adc模块的输出进行阈值判断，得到所述增益值；或者，
18.所述增益控制逻辑模块根据模拟前端进行预比较电路输出所述增益值。
19.在一种可选的设计中，所述自校零及扩展逻辑模块用于在零增益模式下进行扩展，以实现失调自动校零。
20.在一种可选的设计中，所述自校零及扩展逻辑模块还用于输入测试电流对应的数字码值，根据所述增益值进行量化扩展，并根据扩展之后的数字码值得到比例系数。
21.在一种可选的设计中，所述自校零及扩展逻辑模块输入所述数字码值，根据所述比例系数对所述数字码值进行扩展，输出所述图像数据。
22.本技术提供了一种自动扩展动态范围的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括：至少一个列通道、列选输出模块，其中，所述至少一个列通道中每个列通道包括：初始电信号读取电路、增益控制逻辑模块和电信号转化电路，对应任一列通道：所述初始电信号读取电路用于输入待成像物体热辐射对应的电信号，以及将所述电信号输出至所述增益控制逻辑模块；所述增益控制逻辑模块用于确定对所述电信号的增益值，以按照所述增益值对所述电信号进行放大，并输出放大后的电信号；所述电信号转化电路输入所述放大后的电信号，以及根据所述增益值将所述放大后的电信号转换为所述列通道对应的图像数据，并将所述图像数据输入至所述列选输出模块；所述列选输出模块输入所述至少一个列通道的图像数据，以及逐列输出所述至少一个列通道的图像数据，以呈现所述待成像物体的热成像。通过在读出电路中设置增益控制逻辑模块，根据不同的像素值适应性的调整增益效果，保证了热成像拥有良好的信噪比。此外，通过设置转化电路，能够对不同增益模式下的图像数据分别进行校零扩展操作，简化了片外的复杂运算，仅通过简单的电路降低了系统的存储代价以及标定代价，并且根据不同的增益值能够动态调节输入电路的信号范围，实现在一帧内高动态范围成像。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本技术实施例提供的一种自动扩展动态范围的读出电路结构示意图；
25.图2为本技术实施例提供的第一种自动扩展动态范围的读出电路示意图；
26.图3为本技术实施例提供的第二种自动扩展动态范围的读出电路示意图；
27.图4为本技术实施例提供的第三种自动扩展动态范围的读出电路示意图；
28.图5为本技术实施例提供的第四种自动扩展动态范围的读出电路示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例的技术方案进行描述。
30.本技术以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括复数表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，尽管在以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述某一类对象，但所述对象不应限于这些术语。这些术语仅用来将该类对象的具体对象进行区分。例如，以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述数字码值，但数字码值不应限于这些术语。这些术语仅用来将不同的数字码值进行区分。以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述的其他类对象同理，此处不再赘述。
31.本技术实施例提供了一种自动扩展动态范围的读出电路，该读出电路能够将复杂的片外恢复数据的操作在片内实现，同时得到高信噪比的热图像。
32.以下通过几种实施方式介绍本技术实施例涉及的自动扩展动态范围的读出电路。
33.如图1所示，图1示意了一种自动扩展动态范围的读出电路结构示意图，所述读出电路包括：至少一个列通道、列选输出模块，其中，所述至少一个列通道中每个列通道包括：初始电信号读取电路、增益控制逻辑模块和电信号转化电路，
34.对应任一列通道：
35.所述初始电信号读取电路用于输入待成像物体热辐射对应的电信号，以及将所述电信号输出至所述增益控制逻辑模块；
36.所述增益控制逻辑模块用于确定对所述电信号的增益值，以按照所述增益值对所述电信号进行放大，并输出放大后的电信号；
37.所述电信号转化电路输入所述放大后的电信号，以及根据所述增益值将所述放大后的电信号转换为所述列通道对应的图像数据，并将所述图像数据输入至所述列选输出模块；
38.所述列选输出模块输入所述至少一个列通道的图像数据，以及逐列输出所述至少一个列通道的图像数据，以呈现所述待成像物体的热成像。
39.该实施例中，共包括x列通道，其中，对应任一通道，包括y行像素，通过行选逻辑模块控制像素的选通，通过差分电流产生前端将待成像物体的热辐射转化成差分电流i
diff
，增益控制逻辑模块输出gc信号控制增益模式，可调增益列模拟读出电路根据输入的差分电流以及增益模式，将差分电流转换成对应的电压v
out
，之后进行列级adc量化得到n bits的原始输出数字码值，根据增益效果扩展量化位数，获得(n+m)bits的数据d
out
，实现更高动态范围的输出，同时采用简单的电路实现片外复杂的数据恢复工作，降低了系统的工作难度。
40.一些可选的实施方式中，所述初始电信号读取电路包括：至少一个行像素电路、差分电流产生前端，其中所述差分电流产生前端用于输入所述至少一个行像素电路的阻值，
以输出差分电流。
41.该实施例中，对应任一列通道中包含至少一个行像素电路，行像素电路包括传感器电阻以及选通开关，由行选逻辑模块控制逐行选通。行像素电路的输出与差分电流前端相连接，进而输出差分电流i
diff
，差分电流i
diff
的大小与被读出像素的阻值有关，即与被读出像素的热辐射大小有关。当然，差分电流i
diff
的大小并不仅与像素的阻值有关，还受到其他因素的影响，本技术对此不做限制。
42.一些可选的实施方式中，所述增益控制逻辑模块包括：模拟读出电路，所述模拟读出电路用于输入所述差分电流，以及根据所述增益值对所述差分电流进行放大，并输出所述放大后的电信号。
43.该实施例中，差分电流前端输出的差分电流i
diff
流入模拟读出电路，同时模拟读出电路接收到来自增益控制逻辑模块输出的增益值，并根据增益值对差分电流进行积分放大、低通滤波、跨阻放大等操作，进而将差分电流转换为电压。模拟读出电路通过增益值控制差分电流的增益，包括但不限于对差分电流执行零增益放大、低增益放大、高增益放大。
44.一些可选的实施方式中，所述电信号转化电路包括：列级adc模块，所述列级adc模块用于输入所述放大后的电信号，以对所述放大后的电信号量化并输出数字码值。
45.该实施例中，模拟读出电路输出的电压即为放大后的电信号，将放大后的电信号输入列级adc模块，被量化之后得到nbits的原始输出数字码值，即进行了增益之后的数字码值。列级adc模块能够将电压信号转换为相应的数字信号，便于最终呈现待成像物体的热成像。
46.一些可选的实施方式中，所述电信号转化电路还包括：自校零及扩展逻辑模块，所述自校零及扩展逻辑模块用于输入所述数字码值，以及根据所述增益值对所述数字码值进行扩展，输出所述图像数据。
47.该实施例中，首先行选逻辑模块不选中有效像元，同时增益控制逻辑模块选择零增益模式，进行自校零操作，得到列级adc模块的输出第一数字码值。之后行选逻辑模块逐行选中有效像元，并依次转换成电信号，根据增益值进行放大，以及被列级adc模块量化，得到第二数字码值。自校零及扩展逻辑模块使用减法器获得校零之后的第三数字码值，并判断第二数字码值对应的信号放大时的增益效果，按照对应的增益比例对第三数字码值进行数据扩展，得到最终的图像数据并输出。
48.一些可选的实施方式中，所述增益控制逻辑模块用于确定对所述电信号的增益值，包括：
49.所述增益控制逻辑模块根据列外或者片外的输入信息，以输出所述增益值；或者，
50.所述增益控制逻辑模块根据所述列级adc模块的输出进行阈值判断，得到所述增益值；或者，
51.所述增益控制逻辑模块根据模拟前端进行预比较电路输出所述增益值。
52.该实施例中，增益控制逻辑模块能够针对不同像素适应性的调整增益值，确定增益效果主要取决于以下几种方式：第一种，增益控制逻辑模块与列外或片外的其他控制模块相连接，接收到其他控制模块输入的信号确定增益效果并输出。第二种，根据上一个像素值在列级adc模块输出的数字码值确定增益值，当数字码值显示上一个像素对应的温度较高时，采用低增益模式确保像素范围不会溢出，当数字码值显示上一个像素对应的温度较
低时，采用高增益模式实现高信噪比凸显细节。第三种，在读出电路的模拟前端增加预比较电路，先依次判断像素值对应的温度高低，并将结果输入到增益控制逻辑模块，当输入的温度较高时，采用低增益模式并输出对应的增益值，当输出的温度较低时，采用高增益模式并输出对应的增益值。当然，增益控制逻辑模块确定增益效果的依据包括并不限于如上所述，也可以是其他因素，本技术对此不做限制。
53.一些可选的实施方式中，所述自校零及扩展逻辑模块用于在零增益模式下进行扩展，以实现失调自动校零。
54.该实施例中，在对像素进行处理之前，行选逻辑模块先不选中像素，并且增益控制逻辑模块输出零增益模式，控制跨阻放大器实现零增益，得到零增益模式下的数据，由于电路本身会受到各种因素的影响，因此在实际计算数据时需要减去零增益模式下的数据，实现自动校零。
55.一些可选的实施方式中，所述自校零及扩展逻辑模块还用于输入测试电流对应的数字码值，根据所述增益值进行量化扩展，并根据扩展之后的数字码值得到比例系数。
56.该实施例中，将像素电路替换成测试电流输入，分别在高增益模式、低增益模式、零增益模式下进行量化操作，并分别对高增益模式输出的数据以及低增益模式输出的数据进行校零操作，得到校零后的高、低增益下的输出，并对二者做比例运算，得到准确的增益比例系数，根据比例系数对不同像素进行扩展，能够有效提高扩展的精度，减小不同增益模式下数据的衔接误差。
57.一些可选的实施方式中，所述自校零及扩展逻辑模块输入所述数字码值，根据所述比例系数对所述数字码值进行扩展，输出所述图像数据。
58.该实施例中，自校零及扩展逻辑模块接收到数字码值之后，先对数字码值进行自动校零，即用当前数字码值减去零增益模式下的数据，得到校零之后的数字码值，之后判断放大时采用的增益模式，若对当前数字码值放大时采用的是高增益模式，则直接采用校零之后数字码值填充低位获得图像数据；若对当前数字码值放大时采用的是低增益模式，则将校零之后的数字码值乘以比例系数，得到图像数据。
59.为了便于理解，以下结合具体示例对图1示意的实施方式进行展开描述，其中，v是指电源，r是指电阻，k为比例系数，i是指电流，c是指电容，d为数字码值，sw是指开关，zg指零增益模式，hg指高增益模式，lg指低增益模式，latch是指锁存器，opa是指运算放大器，rst是指复位电路，te是指测试使能。
60.如图2所示，本技术实施例提供了一种自动扩展动态范围的读出电路，其中，rs为敏感像元电阻，由v
fid
偏置的n型金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mos)施加偏压，rb为不感光的盲元电阻，由v
eb
偏置的p型mos晶体管以及v
sk
电源施加偏压，上下电流的差分电流i
diff
＝v
rs
/r
s-v
rb
/rb，i
diff
随待检测目标的温度变化的关系为δi
diff
＝a*δt。rg，k*rg为增益盲元，增益控制逻辑模块负责控制sw3或sw4导通，差分电流i
diff
流过rg或k*rg，完成不同增益的跨阻放大。高增益模式下，v
agc
＝vr+i
diff
*k*rg，低增益模式下，v
agc
＝vr+i
diff
*rg。zg信号控制跨阻放大器零增益的实现，即当zg＝1时，v
agc
＝vr。r
int
、c
int
、opa2、sw3构成电压积分器，输出v
out
＝(v
agc-v
ref
)*t
int
/(r
int
*c
int
)，其中t
int
为积分时间，r
int
为可调电阻，受增益控制逻辑控制，其电阻等于k*r
p
。
61.对图2所示的电路分析可知：
62.在0增益模式下，v
out
(zg)＝v
ref
+(v
r-v
ref
)*t
int
/(r
int
*c
int
)；
63.在高增益模式下，v
out
(hg)＝v
ref
+(vr+i
diff
*k*r
g-v
ref
)*t
int
/(r
int
*c
int
)；
64.在低增益模式下，v
out
(lg)＝v
ref
+(vr+i
diff
*r
g-v
ref
)*t
int
/(r
int
*c
int
)；
65.以电压表示，经过自动校零后；
[0066]vaz
(hg)＝v
out
(hg)-v
out
(zg)＝i
diff
*k*rg*t
int
/(r
int
*c
int
)；
[0067]vaz
(lg)＝v
out
(lg)-v
out
(zg)＝i
diff
*rg*t
int
/(r
int
*c
int
)
[0068]
因此v
az
(hg)＝k*v
az
(lg)，即对低增益模式下的经过自动校零的输出做与系数k的乘积，即可完成高低增益下的输出归一化。
[0069]
如图3所示，本技术实施例提供了第二种自动扩展动态范围的读出电路，图3所示的实施例是在图2所示的实施例的基础上增加了一个可调电阻r
trim
，由于不同列之间的工艺不均匀，导致比例系数k不同，为了解决这个问题，添加一个可调电阻r
trim
，以调节高增益模式的增益值，使得不同列之间的比例系数相同。此外，还可以使可调电阻r
trim
与rg串并联，也可以解决比例系数不同的问题。当然，解决比例系数不同的方法还有很多，本技术不再一一详述。
[0070]
如图4所示，本技术实施例提供了第三种自动扩展动态范围的读出电路，将差分电流使用有源的积分电路进行积分，增益控制逻辑模块通过控制不同档位的积分电容，来控制不同的增益模式切换，并且，通过关断积分电流并复位积分器，实现零增益模式的输出以及失调存储。
[0071]
如图5所示，本技术实施例提供了第四种自动扩展动态范围的读出电路，将初始电信号读取电路断开，采用测试电流作为输入，分别采用零增益模式、低增益模式、高增益模式对测试电流依次进行读出、校零、量化操作，并得到高增益模式和低增益模式下的数据，进行存储并做比例运算，得到当前列的增益比例系数k，进而采用比例系数k进行各个像素的扩展，能够提高数据扩展的精度，减小不同增益模式下数据的衔接误差。
[0072]
可以理解的是，图2、图3、图4、图5中涉及的各个电阻、电源等所列举的各元件连接方式均是示意性描述，不构成对本技术实施例的限制。在其他一些实施方式中，电阻、电源等也可以是其他连接方式，此处不再详述。另外，实际实施场景中，本技术实施例涉及的元件还可以更多或者更少，本技术实施例不再一一说明。
[0073]
综上，本技术实施例的自动扩展动态范围的读出电路，能够针对不同像素调节读出动态范围，实现在一帧内的高动态范围成像，获得高信噪比的热图像，并且，使用正常位数的列级adc模块进行输出量化，无需额外的阈值判断，同时获得更高位数的量化数据输出。此外，不同增益模式的像素读出积分时间相同，能够延长积分时间，降低热噪声贡献。对非制冷探测器的自加热、非均匀性失调、坏像素等效应不敏感，易于标定及校正，还可以对后级电流放大电路及adc电路进行低频噪声及失调漂移的相关双采样校正。通过设置转化电路，对不同增益模式下的图像数据分别进行校零扩展操作，简化了片外的复杂运算，降低了系统的存储代价以及标定代价，并且根据不同的增益值能够动态调节输入电路的信号范围，实现在一帧内高动态范围成像。
[0074]
尽管已描述了本技术的可选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0075]
以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。