[发明专利]一种焦平面阵列读出电路高速窗口功能的实现方法

说明书

本发明公开了一种焦平面阵列读出电路高速窗口功能的实现方法，包括：在规模大小为M×N、读出方式为逐行积分，逐行输出的焦平面阵列中，单个阵列像元命名为P(i，j)，代表位于第i行，第j列的像元；焦平面阵列中的每个像元可连接至两个列读出通道；读出电路中的通道选择电路根据读出电路工作模式，通过控制像元P(i，j)连接至第j列的列读出通道或第j+M/2列的列读出通道或第j‑M/2列的列读出通道；本发明的焦平面阵列读出电路的窗口功能的实现方法通过充分利用闲置的读出通道将一种半固定的窗口模式(窗口大小为(M/2)×n)下的读出电路输出帧频相对于全阵列模式提高至理想情况下的(2N/n)倍。

技术领域

本发明涉及微电子和光电子技术领域，具体涉及一种成像系统读出电路中的读出结构及读出方法技术领域。

背景技术

焦平面阵列探测器是一种通过光电转换将红外、可见光、紫外等信号转换成电信号，并进行处理以得到物体视频图像的探测器。其核心组件之一为读出电路(ROIC：Read-Out Integrated Circuits)。

读出电路通常包括像元阵列、控制电路、行列选电路、读出通道和输出电路等部分。读出电路的行选电路在控制电路的控制下依次逐行选中每行像元。读出电路的读出通道通常设计为列级共用，即每列像元共用一个读出通道，其作用是对被选中的每行像元进行该行信号的提取、积分、采保和A/D转换。每行像元经A/D转换后的数据经列选电路逐列选通后经输出电路输出。由于对于每一行像元信号的输出在读出通道的处理之后进行，为提高读出电路的工作效率，通常采取积分、采保与A/D转换和数据输出采用行复用的方式工作，例如当第n行进行数据输出时，第n+1行在进行像元信号的积分、采保与A/D转换。

目前焦平面阵列的规模越来越大，逐渐从320×240、640×512发展到1024×1024，甚至2048×2048。随着阵列规模的增加，为保证一定的帧频输出，输出电路的输出频率也必须大幅提高，这给读出电路的设计带来很多困难。例如对于1024×1024的规模的阵列，如果采取14位数字化信号输出，则每帧信号共有1.75MB的数据量，输出电路的输出频率必须达到880MHz才能实现60Hz的帧频输出。如若需要更高的帧频输出，则必须一直增加输出电路的输出频率，但是在当前的工艺技术条件下，无限制的大幅增加输出电路的输出频率既不现实，也不经济。因此，在大规模的焦平面阵列中通常设计有窗口功能以实现局部的高帧频输出。

窗口功能是指在大规模焦平面阵列中选取子阵列中的信号输出。窗口的类型通常分为固定窗口、半固定窗口和可编程窗口三种。固定窗口指窗口的大小是固定的；半固定窗口指有多种大小的窗口可供选择，或窗口的一个方向大小固定而另一个方向大小可编程；可编程窗口指窗口的大小可根据实际需要而灵活改变。

窗口功能可使焦平面阵列探测器既可以进行大范围的探测，也可以进行小范围目标的快速跟踪。

对于一个M×N(M列，N行)的焦平面阵列，如果要在其中开一大小为m×n的窗口，由于数据的处理与输出量降低为整个阵列的(m×n)/(M×N)，则在理论上窗口内像元子阵列的输出帧频可以提高至(M×N)/(m×n)倍。

但对于上述的读出电路所采用的逐行积分、逐行输出的行复用工作方式，由于必须满足每行的积分时间要求，则窗口列数的减少并不能起到提高帧频的作用，因此输出帧频只能提高至(N/n)倍，相对于理想情况降低了(M/m)倍。因此，现有技术中的读出电路窗口功能存在输出帧频倍数提高不足的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是：对于采用逐行积分、逐行输出的行复用工作方式的读出电路(焦平面阵列规模为M×N)，设计一种半固定的窗口读取方法，窗口的大小为(M/2)×n，使窗口模式下的输出帧频相对于正常模式可提高至理想情况下的(M×N)/((M/2)×n)倍，即(2N/n)倍。其中M、N和n均为偶数，2≤n≤N。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种焦平面阵列读出电路高速窗口功能的实现方法，所述方法包括：