光电流读出电路及自适应光强成像阵列电路及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微电子技术，特别涉及微电子技术中的成像系统。
【背景技术】
[0002] 焦平面成像阵列因成本低、集成度高而在科研、军事和消费电子等领域应用广泛， 成像阵列的动态范围是指在一定信噪比条件下，阵列所能探测到的最高光强与最低光强之 比。成像阵列一般将光电探测器产生的光电流信号在积分电容上进行积分，然后以电压的 形式输出，像素输出电压与输入光电流的比值代表该像素的增益。强光照射下光电流很大， 积分电压容易饱和，提高探测范围的上限要求积分速度更慢一些；而弱光照射下光电流很 小，积分电压会低至无法识别，降低探测范围的下限要求积分速度更快一些。这种抗饱和能 力与灵敏度间的矛盾极大地限制了成像阵列的动态范围。
[0003] 动态范围增强技术主要基于像素增益调整，即在弱光照射时增加像素增益以提高 灵敏度，在强光照射下降低像素增益以避免像素饱和。常用的像素增益调整方法有两种：调 整积分时间和调整积分电容。前者是在弱光照射时延长积分时间，在强光照射时缩短积分 时间；后者是根据小电容积分速度比大电容快这一特点，在弱光照射时降低积分电容的电 容值，在强光照射时提高积分电容的电容值。
[0004] 无论使用何种动态范围增强技术，都必须先检测出成像阵列所承受的光照强度。 传统的光强检测方法是在积分完成之后通过比较积分电压或其模数转换结果来判断光照 强弱。传统检测方法存在以下缺点：1)在芯片内进行的传统光强检测技术类似于模数转 换，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， 而且高精度检测往往要求比较电路具有很高的精度，否则比较过程会因为被比较信号太弱 而无法进行；2)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，阵列帧速会因此降低；3)以自动曝光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，所以在调整增益时只能用逐步调整 的方式尝试寻找最佳调整，无法实现一步到位的精确调整。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是要克服目前光强检测和增益自动调整方法不准确且速度慢的缺 点，提供一种光电流读出电路及自适应光强成像阵列电路及其控制方法。
[0006] 本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，光电流读出电路，包括增益可调读出 电路、积分电容重置信号输入端、光强检测模块和光强检测结果读出开关模块，所述增益可 调读出电路包括可调积分电容模块，其特征在于，还包括积分电容控制端及光强检测结果 输出总线，所述光强检测模块包括积分电压比较信号输入端、至少一个预存比较模块、比预 存比较模块数量少一个的延时单元以及与预存比较模块数量相对应的光强检测结果读出 开关模块，所有延时单元以串联形式组成延时线，延时线的输入与积分电压比较信号输入 端连接，所述预存比较模块包括清零端、输入端、时钟端以及输出端，所有预存比较模块的 清零端都与积分电容重置信号输入端连接，所有预存比较模块的输入端都与可调电容模块 的电位随光电流积分变化的一端连接，一个预存比较模块的时钟端与积分电压比较信号输 入端直接连接，其余预存比较模块的时钟端分别与延时线中每一个延时单元的输出端连 接，每一个预存比较模块的输出端都通过一个与其对应的光强检测结果读出开关模块和光 强检测结果输出总线中的一条位线连接。
[0007] 具体的，所述可调积分电容模块由一个积分电容与一个栅控变容管并联组成，栅 控变容管的栅极作为可调电容模块的积分电容控制端；或由两个积分电容和一个控制开关 组成，所述控制开关与其中一个积分电容串联后再与另一个积分电容并联，该控制开关作 为可调电容模块的积分电容控制端。
[0008] 具体的，所述预存比较模块为带清零功能的D触发器，D触发器的清零端、输入端、 时钟端和输出端分别作为预存比较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端；或为带清零和 使能端的锁存比较器模块，锁存比较器的清零端、输入端、使能端和输出端分别作为预存比 较模块的清零端、输入端、时钟端和输出端。
[0009] 具体的，所述延时单元为缓冲器或触发器。
[0010] 具体的，所述光强检测结果读出开关模块由开关组成，开关数目取决于读出光强 检测结果所用的阵列扫描方式，逐行扫描时光强检测结果读出开关模块为一个行选开关， 逐个扫描时光强检测结果开关模块由一个行选开关和一个列选开关串联组成。
[0011] 具体的，所述光强检测结果输出总线是数字并行总线，其位数等于一个像素内预 存比较模块的个数，光强检测结果输出总线的数目取决于读出光强检测结果所用的阵列扫 描方式，逐行扫描阵列时每一列像素共享一条光强检测结果输出总线，光强检测结果输出 总线的数目等于像素阵列的列数；逐个扫描时整个阵列所有像素共享一条光强检测结果输 出总线。
[0012] 自适应光强成像阵列电路，包括成像阵列电路本体，所述成像阵列电路本体包括 像素阵列、控制信号产生电路和光强检测结果比较电路，所述像素阵列的读出电路采用上 述的光电流读出电路，所述光强检测结果比较电路包括一个并行数据选择器、两个并行数 据分配器、一个数值比较器及一个存储器，并行数据选择器、并行数据分配器、数值比较器 以及存储器的位数与一个像素内的预存比较模块的个数相等；
[0013] 所述并行数据选择器的输入数目与光强检测结果输出总线的数目相等，每个输入 与每条光强检测结果输出总线一一对应连接，输出与并行数据分配器一的输入连接；
[0014] 所述并行数据分配器的输出数目为2,两个并行数据分配器分别为并行数据分配 器一及并行数据分配器二，并行数据分配器一的输出分别与存储器输入端以及数值比较器 的A输入端连接，数据分配控制端与数值比较器A>B输出端连接，并行数据分配器二的输入 与存储器输出端连接，输出分别与数值比较器的B输入端以及控制信号产生电路的比较反 馈端连接，数据分配控制端与控制信号产生电路的比较控制端连接；
[0015] 所述控制信号产生电路用于产生阵列电路所需的所有控制信号，包括光电流读出 电路的偏置电压、积分电容重置信号、积分电压读出信号、积分电容控制信号、积分电压比 较信号、积分电压和光强检测信号读出所需的行扫描、列扫描信号以及光强检测结果比较 模块的比较反馈信号，还包括比较控制端和比较反馈端，控制信号产生电路产生的列扫描 信号通过比较控制端控制光强检测结果的比较按像素顺序逐个进行，光强检测结果比较电 路的最终比较结果通过比较反馈端输入控制信号产生电路，决定积分电容控制信号的产 生。
[0016] 具体的，所述光强检测结果比较电路在用于逐个扫描光强检测结果时，不需要并 行数据选择器，光强检测结果输出总线直接连接并行数据分配器一的输入，控制信号产生 电路产生的列扫描信号直接控制每个像素