CN110536085B - 一种读出电路及图像校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种读出电路及图像校正方法，涉及非制冷红外探测器领域；所述图像校正方法包括：从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列衬底温度数据；基于像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵；本发明公开的方法能够利用读出电路中包含像素衬底温度传感器获得像素阵列衬底温度数据，并基于像素阵列衬底温度数据进行温漂校正，在提升校正精度的同时，还减小了获取校正参数的测试代价及实际校正时的硬件代价，测试速度加快。

Description

一种读出电路及图像校正方法
技术领域
本发明涉及非制冷红外探测器领域，具体涉及一种读出电路及图像校正方法。
背景技术
理想状况下的非制冷红外图像传感器的工作情况为像素阵列上的所有像素受到均匀辐射，进而产生均匀的输出。然而对于一个实际的像素阵列，由于在加工制造的过程中存在工艺误差、随机涨落、刻蚀的非理想性以及掺杂等原因，会造成像素阵列的非理想性，使得像素阵列在均匀辐射下的响应也是非均匀的，严重影响成像效果，因此需要对图像进行非均匀性校正。
在传统的非均匀性校正方案中，传感器内置的一个或多个温度传感器，读出全局的衬底温度；但由于衬底温度的不均匀分布，全局的衬底温度代替像素的衬底温度存在测温误差，且测温误差具有极强的不确定性；由于传统的温漂校正方法是基于不同温度下标定非均匀性并进行温漂拟合，再在温度传感器实际工作过程中根据拟合函数及当前温度计算非均匀性，而测温误差的存在增加了温漂拟合的难度，未消除测温误差时获得的温漂曲线比理论温漂曲线更加复杂，具有曲线拐点等难以拟合的特征。
传统的方法为了应对难以拟合的曲线拐点，通常会采用增加拟合点数进行多点数值拟合的方法，这种方法造成拟合代价增加；另外，每一个温度点的拟合都需要采集整个像素阵列中所有像素的输出以标定像素阵列输出的基准值，多点的拟合造成了标定成本提高；并且由于衬底温度与全局温度间的动态不确定性，在环境温度变化剧烈的环境中校正效果会变差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种读出电路及图像校正方法。
本申请实施例的第一方面提供了一种读出电路，所述读出电路包括：像素阵列、行选控制电路、时序控制电路及列读出电路；所述像素阵列、所述时序控制电路均与所述行选控制电路、所述列读出电路连接；所述像素阵列中内置分布式的像素衬底温度传感器。
在一些实施例中，在所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器，其中，Q≥2且为自然数；或者，在所述像素阵列中每个像素中均内置一个所述像素衬底温度传感器。
在一些实施例中，所述像素阵列至少包括像素电阻与CMOS电路层；所述像素电阻与所述CMOS电路层连接，并且所述像素电阻位于所述CMOS电路层的上方；所述像素衬底温度传感器位于CMOS电路层中。
在一些实施例中，从包含所述像素衬底温度传感器的所述读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列衬底温度数据；基于所述像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵。
本申请实施例的第二方面提供了一种图像校正方法，包括：
步骤101、从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列衬底温度数据；
步骤102、基于所述像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；
步骤103、利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对所述原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵。
在一些实施例中，根据权利要求5所述的图像校正方法，其特征在于，所述读出电路中包含像素阵列；所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器；或者，所述像素阵列中每个像素里均内置一个所述像素衬底温度传感器；其中，Q≥2且为自然数。
在一些实施例中，当在所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器时，步骤101具体包括：
步骤A1、从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列局部衬底温度数据；
步骤A2、根据所述像素阵列局部衬底温度数据获得像素阵列衬底温度数据。
具体地，步骤A2具体包括：将所述像素阵列局部衬底温度数据输入至温度数据处理模块；经所述温度数据处理模块进行处理后输出所述像素阵列衬底温度数据。
更具体地，所述温度数据处理模块对所述像素阵列局部衬底温度数据的处理包括滤波和线性内插。
在一些实施例中，所述读出电路可设置一帧时间专门用作像素阵列衬底温度数据的读出帧。
本发明的有益效果为：利用读出电路中包含的像素衬底温度传感器获得像素阵列衬底温度数据，并基于像素阵列衬底温度数据进行温漂校正，在提升校正精度的同时，还减小了获取校正参数的测试代价及实际校正时的硬件代价，测试速度加快。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1是根据本申请的一些实施例所示的一种图像校正方法流程示意图；
图2是根据本申请的一些实施例所示的一种读出电路的结构示意图；
图3是根据本申请的一些实施例所示的一种像素阵列的局部立体示意图；
图4是根据本申请的一些实施例所示的一种CMOS电路层的局部俯视图；
图5是根据本申请的一些实施例所示的一种像素阵列的局部立体示意图；
图6是根据本申请的一些实施例所示的一种CMOS电路层的局部俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，由于在加工制造的过程中存在工艺误差、随机涨落、刻蚀的非理想性以及掺杂等原因，造成像素阵列的非理想性，使得它在均匀辐射下的响应也是非均匀的，严重影响成像效果，因此需要对图像进行非均匀性校正。而定义非均匀性校正参数为校正步骤中用于补偿像素响应不一致误差的系数，一般包括失调校正参数和响应率校正参数。由于像素阵列的非均匀性对其自身的衬底温度非常敏感，在像素衬底温度发生变化时像素阵列的非均匀性也产生变化，需要对非均匀校正参数进行温度补偿：
NUCi，j＝fi，j(Tsub，i，j)(1)
其中NUCi，j表示一个大小为M×N的像素阵列中第(i，j)个像素的某个非均匀性校正参数，fi.j表示该像素的非均匀性校正参数的温度补偿函数，Tsub，i，j表示该像素的衬底温度。
在传统的非均匀性校正方案中，图像传感器内置的一个或多个温度传感器，读出全局的衬底温度Tsub，g。在温度补偿计算中，由于衬底温度的不均匀分布，一般用全局的衬底温度Tsub，g代替像素的衬底温度Tsub，i，j，但是这种简单的替代会存在测温误差ΔTsub，i，j，测温误差ΔTsub，i，j表示像素的实际温度与全局温度的差，即Tsub，g＝Tsub，i，j+ΔTsub，i，j。测温误差ΔTsub，i，j的不确定性主要表现在以下3点：1、测温误差ΔTsub，i，j不是固定值而是随整体温度变化而变化的值，其与全局衬底温度的关系难以确定；2、测温误差ΔTsub，i，j存在空间不一致性，即ΔTsub，i，j还与像素位置(i，j)有关；3、当环境温度动态改变时，ΔTsub，i，j的动态响应不确定。
由于传统的温漂校正方法是基于不同温度下标定非均匀性并进行温漂拟合，再在温度传感器实际工作过程中根据拟合函数及当前温度计算非均匀性，而测温误差的存在增加了温漂拟合的难度，未消除测温误差时获得的温漂曲线比理论温漂曲线更加复杂，具有曲线拐点等难以拟合的特征。
传统的方法为了应对难以拟合的曲线拐点，通常会采用增加拟合点数进行多点数值拟合的方法，这种方法造成拟合代价增加；另外，每一个温度点的拟合都需要采集整个像素阵列中所有像素的输出以标定像素阵列输出的基准值，多点的拟合造成了标定成本提高；并且由于衬底温度与全局温度间的动态不确定性，在环境温度变化剧烈的环境中校正效果会变差。
传统非均匀性校正流程，基于传统读出电路读出全局的衬底温度，配合全局的衬底温度与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；基于调整完的非均匀性校正系数结合非均匀性校正算法处理原始图像数据矩阵，进而获得处理后的均匀图像数据矩阵。
为了克服使用全局衬底温度代替各像素本身衬底温度所带来的拟合代价增加、标定成本提高、校正精度不理想的缺点，本发明提出了一种图像校正方法，如图1所示，具体包括：
步骤101、从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列衬底温度数据；
步骤102、基于所述像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；
具体地，根据权利要求5所述的图像校正方法，其特征在于，所述读出电路中包含像素阵列；所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器；或者，所述像素阵列中每个像素里均内置一个所述像素衬底温度传感器；其中，Q≥2且为自然数。
在一些实施例中，当在所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器时，步骤101具体包括：
步骤A1、从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列局部衬底温度数据；
步骤A2、根据所述像素阵列局部衬底温度数据获得像素阵列衬底温度数据。具体地，步骤A2具体包括：将所述像素阵列局部衬底温度数据输入至温度数据处理模块；经所述温度数据处理模块进行处理后输出所述像素阵列衬底温度数据。
更具体地，所述温度数据处理模块对所述像素阵列局部衬底温度数据的处理包括滤波和线性内插。
步骤103、利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，公开了一种包含像素衬底温度传感器的读出电路的结构示意图；具体地，读出电路包括M×N像素阵列、行选控制电路、时序控制电路及列读出电路；所述M×N像素阵列、所述时序控制电路均与所述行选控制电路、所述列读出电路连接；所述M×N像素阵列中内置分布式的像素衬底温度传感器；其中，M、N均为大于零的自然数。
更具体地，在M×N像素阵列中可以多个像素共享一个像素衬底温度传感器，也可以在像素阵列中的每个像素中都内置一个像素衬底温度传感器，还可以按照行列设置像素衬底温度传感器。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，公开了一种M×N像素阵列的局部立体示意图，立体示意图中展示了4个像素共享一个像素衬底温度传感器的实际电路连接情况。
具体地，立体图中公开了M×N像素阵列中像素电阻与CMOS电路层在空间上的关系，即像素电阻位于CMOS电路层的上方，通过桥墩与桥墩底部的电学接触实现与CMOS电路的连接；其中，像素衬底温度传感器位于CMOS电路层中。
进一步地，如图4所示，公开了与图3对应的CMOS电路层的局部俯视图；在CMOS电路层上包括桥墩电学接触、像素衬底温度传感器、多个MOS开关、行选信号线、温度传感器选通信号线以及Vbias和VROIC电压。
更进一步地，在大小为M×N的像素阵列中，每四个像素共享一个像素衬底温度传感器，则一共有Q行像素衬底温度传感器，其中，
Figure BDA0002173433760000081
(N≥0且为自然数；Q向上取整)，每一帧读出X行(1≤X≤N，且为自然数)像素阵列局部衬底温度数据；像素衬底温度传感器进行数据读出时，被占用读出电路的像素沿用上一帧的图像数据，经
Figure BDA0002173433760000082
帧读出整个像素阵列局部衬底温度数据。
假设读出电路工作帧频为F，即每秒读出F帧数据，则每隔T1秒完成所有像素阵列局部衬底温度数据读出，其中
Figure BDA0002173433760000083
且为自然数。
对读出的像素阵列局部衬底温度数据进行处理，获得像素阵列衬底温度数据。
基于像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵。
在本发明的另一个实施例中，如图5所示，公开了一种M×N像素阵列的局部立体示意图，立体示意图中展示了M×N像素阵列中每个像素单独享有一个像素衬底温度传感器的实际电路连接情况；相应地，如图6所示，公开了与图5对应的CMOS电路层的局部俯视图；
进一步地，在大小为M×N的像素阵列中，每个像素都内置有像素衬底温度传感器，则一共有X(1≤X≤N，且为自然数)行像素衬底温度传感器，每一帧读出X行(1≤X≤N，且为自然数)像素阵列局部衬底温度数据，像素衬底温度传感器进行数据读出时，被占用读出电路的像素沿用上一帧的图像数据，经P帧读出整个像素阵列衬底温度数据；其中，
Figure BDA0002173433760000084
且P向上取整。
假设读出电路工作帧频为F，即每秒读出F帧数据，则像素阵列局部衬底温度数据每隔T2秒更新一次，其中
Figure BDA0002173433760000085
且为自然数。
需要说明的是，本实施例中，读出电路读出的数据为像素阵列衬底温度数据，无需再经过温度数据处理模块的处理。
基于像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵。
需要说明的是，上述实施例中，像素衬底温度传感器可设置专门的一帧时间专门作为温度数据读出帧，该帧用于读出全部行的像素阵列局部衬底温度数据或像素阵列衬底温度数据；假设读出电路工作帧频为F，即每秒读出F帧数据，F帧数据包括F-1帧图像数据，1帧用于读出全部行的像素阵列局部衬底温度数据或像素阵列衬底温度数据，则每1秒读出一次所有像素阵列局部衬底温度数据或像素阵列衬底温度数据；还可以设置每2秒设置一次温度读出，即每2秒读出的数据包括2F-1帧图像数据，1帧用于读出全部行的像素阵列局部衬底温度数据或像素阵列衬底温度数据，则每2秒读出一次所有局部温度传感器的温度数据。
还需要说明的是，像素衬底温度传感器在读出像素阵列局部衬底温度数据或像素阵列衬底温度数据的时候可以有多种读出方式的变形，例如一次读出预设数量的行数，分多次读出所有行或者间隔预设时间一次性读出所有行，也可能是后两种方式的混合读出方式，读出电路读出方式的如何选择取决于实际应用，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明公开的一种读出电路及图像校正方法中，基于读出电路中包含像素衬底温度传感器，获得像素阵列衬底温度数据；并基于所述像素阵列衬底温度数据进行温漂校正，减小了获取校正参数的测试代价及实际校正时的硬件代价，提升了温漂校正的精度，并可以解决温漂动态变化的补偿问题；同时本发明所带来的好处还包括：
1.简化拟合函数：在拟合像素非均匀性与像素阵列衬底温度数据时，可以选择简单的函数模型进行拟合，不需要复杂的多点数值拟合。
2.减小标定成本：由于达到相同精度所需要的拟合温度点减少，测试速度加快，用于定标的数据量减少。
3.校正精确度高：可以实现动态温漂的精准补偿，降低温度变化引起的固定图形噪声。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种读出电路，其特征在于，所述读出电路包括：像素阵列、行选控制电路、时序控制电路及列读出电路；所述像素阵列、所述时序控制电路均与所述行选控制电路、所述列读出电路连接；所述像素阵列中内置分布式的像素衬底温度传感器；
所述像素阵列、所述时序控制电路均与所述行选控制电路、所述列读出电路连接包括：所述像素阵列分别与所述行选控制电路和所述列读出电路连接，所述时序控制电路分别与所述行选控制电路和所述列读出电路连接；
在所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器，其中，Q≥2且为自然数；或者，在所述像素阵列中每个像素中均内置一个所述像素衬底温度传感器；其中，所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器包括数据获取模块以及衬底数据模块，
所述数据获取模块用于从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列局部衬底温度数据；
所述衬底数据模块用于根据所述像素阵列局部衬底温度数据获得像素阵列衬底温度数据。
2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述像素阵列至少包括像素电阻与CMOS电路层；所述像素电阻与所述CMOS电路层连接，并且所述像素电阻位于所述CMOS电路层的上方；所述像素衬底温度传感器位于所述CMOS电路层中。
3.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，从包含所述像素衬底温度传感器的所述读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列衬底温度数据；基于所述像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵。
4.一种图像校正方法，其特征在于，包括：
步骤101、从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列衬底温度数据；
步骤102、基于所述像素阵列衬底温度数据与非均匀性校正系数查找表调整非均匀性校正系数；
步骤103、利用调整完的非均匀性校正系数和非均匀性校正算法对所述原始图像数据矩阵进行校正处理，获得处理后的均匀图像数据矩阵；
所述读出电路中包含像素阵列；所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器；或者，所述像素阵列中每个像素里均内置一个所述像素衬底温度传感器；其中，Q≥2且为自然数；
当在所述像素阵列中Q个像素共享一个所述像素衬底温度传感器时，步骤101具体包括：
步骤A1、从包含像素衬底温度传感器的读出电路中获取原始图像数据矩阵和像素阵列局部衬底温度数据；
步骤A2、根据所述像素阵列局部衬底温度数据获得像素阵列衬底温度数据。
5.根据权利要求4所述的图像校正方法，其特征在于，步骤A2具体包括：将所述像素阵列局部衬底温度数据输入至温度数据处理模块；经所述温度数据处理模块进行处理后输出所述像素阵列衬底温度数据。
6.根据权利要求5所述的图像校正方法，其特征在于，所述温度数据处理模块对所述像素阵列局部衬底温度数据的处理包括滤波和线性内插。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述读出电路设置一帧时间专门用作像素阵列衬底温度数据的读出帧。
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