[发明专利]一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法

说明书

本发明公开了一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，提供一种具有主动和被动成像双模式的像素级电路，电路由运算放大器、比较器、锁存器、反馈电容、采样电容等部分组成，锁存器开关控制主被动模式的切换。CTIA是电路主结构，采用两个反馈电路用于主、被动成像信息的采样，获得光强信息与光子飞行时间信息，满足新型复合应用需求。本发明还公开了一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路的实现方法。本发明能够在有限的面积内同时实现光照强度检测和光子飞行时间检测两种功能，具有像素单元面积小、集成度高的优点。

技术领域

本发明涉及激光成像领域，特别是一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法。

背景技术

根据有无照明光源，成像系统可以分为主动成像系统和被动成像系统两种。被动成像系统最大的特点就是本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，如今主要应用于红外成像领域，其缺点是容易受到环境光源的影响。主动成像系统采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)和接收器，其接收器用于收集和探测目标景物直接或反射的部分光辐射，具有成像清晰、对比度高，不受环境光源的影响等优点。

激光由于它有亮度高、单色性和方向性好三个方面的优点，是人们早就渴望得到的理想的测距光源，因此在它出现后不到一年的时间就被用于测距。目前制造的3D成像激光雷达主要是用来获得目标的距离图像，用来表征目标物的空间方位信息。红外光学图像以目标物的光谱信息为主，反映了目标物反射强度变化，但单一的光学图像难以准确反映出目标的距离信息。如果将激光测距技术与摄影测量技术相结合，融合二者成像数据，实现三维激光成像(即主动成像)，这样便可以获得目标物的更多位置信息，并提高物体的识别能力和抗干扰性。

目前，对探测器光生电流检测的像素级电路主要分为以下两种类型：

(1)光照强度检测。

光强检测一般应用于较弱的光生电流，通常采用电容感应积分检测实现。光生电流在积分电容上积分，经过一段时间的积分可采集到后续检测所需的电压值，从而获得图像的灰度信息，其核心部件是一个电容跨阻放大器(CTIA,Capacitive Trans-impedanceAmplifier)。

(2)激光脉冲到达时间检测。

激光脉冲到达时刻检车一般采用时间-幅度转换电路(TAC)或时间-数字转换电路(TDC)实现。时间幅度转换电路(TAC)的核心部件是一个电阻跨阻放大器(RTIA,RegisterTrans-impedance Amplifier)，电路正常工作时电阻感应的输出电压与被测光生电流成正比，一旦电阻感应到的电压超过比较器的阈值电压，比较器即可反转，输出对应信号，表示激光脉冲到达。当已知光子发射时刻，即可测得飞行时间，进而推算出景深，实现3D成像。

由此可见，若要同时完成光强检测和激光脉冲到达时间检测，需要两种不同类型的读出电路。然而随着科技发展，集成化、多功能化已经成为时代趋势。如果想要在一片芯片上同时实现光强检测与光子到达时间检测两个功能，由于大电阻会占用大量面积，将以上两种电路进行简单地叠加并不可行。受限于像素单元的小面积与电路测量的准确性需求，寻找一个可以同时获取目标的光照强度信息和距离信息的简易结构具有相当大的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路及实现方法，本发明能够在有限的面积内同时实现光照强度检测和光子飞行时间检测两种功能，具有像素单元面积小、集成度高的优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于CTIA的双模式焦平面像素级电路，包括探测器、运算放大器、比较器、模式控制选择器、延迟单元、第一电容、第二电容、复位开关、状态切换开关、第一采样模块、第二采样模块、第一采样开关和第二采样开关；其中，