CN112082661B - 一种基于像元合并的红外探测器结构及其合并方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于像元合并的红外探测器结构及其合并方法，其包括像素阵列和控制单元，像素阵列包括M*N个像元和与像元一一对应的盲元，控制单元包括盲元连接开关、行选开关、列选开关、传输开关、合并开关、放大单元及其电容；其中，M和N大于等于2，盲元连接开关、行选开关、列选开关的数量为M*N，传输开关的数量为N，合并开关为N‑1；当需要至少一个相邻X行*Y列合并时，需合并区域的行选开关和列选开关同时闭合，且需合并区域的盲元连接开关全部闭合，需合并区域的合并开关全部闭合，需合并区域的传输开关选通一个闭合且其余传输开关断开，使需合并区域的所有像元的输出数据通过与闭合的传输开关相应的放大器输出；其中，X小于等于M，Y小于等于N。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路及逻辑电路的设计领域，具体涉及一种基于像元合 并的红外探测器结构及其合并方法。
背景技术
红外探测器是热成像***的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信 息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛 的应用。红外探测器可的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别， 探测距离较远，主要应用于高端军事装备，并且，红外探测器具有体积小、 质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。近年来，随着红外焦平 面探测器技术的不断进步和制造成本的逐渐下降，其性价比快速提升，为推 动红外探测器的大规模市场应用创造了良好条件。
红外探测器主要是以微机电技术(MEMS)制备的热传感器为基础，红 外探测器的阵列规模不断增大，像元尺寸不断减小，并且在探测器单元结构 及其优化设计、读出电路设计、封装形式等方面出现了新的技术发展趋势。
红外探测器的工作原理是，来自目标的热辐射通过红外光学***聚焦到 探测器平面像素阵列上，像素阵列上的各个像素的红外吸收层吸收红外能量 后温度发生变化，不同像素接收到不同能量的热辐射，再经由探测器内部的 读出选通电路转换成电信号输出，经过探测器外部的信号采集和数据处理电 路最终得到反映目标温度分布情况的可视化电子图像。
请参阅图1，图1所示为现有技术中一种红外探测器的像素阵列工作原 理示意图。如图所示，红外探测器包括像素阵列N*M和控制单元；具体地， 该像素阵列包括N*M个像元(Active pixel)、M个第一盲元(blind pixel1)、 行选模块、列选模块、读出选通模块和放大输出模块等组成，其中，m+1选 自2至M中的任一个整数，M为正整数，n+1选自2至N中的任一个整数， N为正整数。其中，现有技在行选步骤工作中，行选模块选中某一行的像元 (如Row:n行)导通，此时，Row:n+1行的像元及其它行的像元断开，再 使读出选通模块导通，然后，在Row:n行的各列通过像元与第一盲元之间 的差异通过放大输出模块将输出信号放大输出；同理，在列选步骤工作中， 列选模块选中某一列的像元(如Colum:n列)导通，此时，Colum:n+1列 及其它列断开，再使读出选通模块导通，然后，在Colum:n列的各行通过像 元与第一盲元之间的差异将输出信号通过放大输出模块放大输出。
然而，目前红外探测器的应用存在如下问题和要求：
①、红外探测器的阵列大小决定了图像输出的像素大小，随着阵列越来 越大，像元面结越来越小，虽然图像像素点阵输出大小大幅度增加，但单个 像元的响应率/灵敏度下降；
②、针对市场提出的多功能复用的要求，即要求产品输出大阵列且中等 灵敏度/响应率的效果，同时要求输出中等阵列/高灵敏度/响应率的输出效果， 以在同一场景下得到不同的输出效果，并满足不同应用的要求。
因此，如何满足上述市场需求，已成为业界对红外探测器产品设计的一 个重要考量因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于像元合并的红外探测器结构及其合并方 法，使得能够输出大阵列且中等灵敏度/响应率的效果，同时通过像元合并， 能输出中等阵列/高灵敏度/响应率的效果。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于像元合并的红外探测器结构，其包括像素阵列和控制单元，所 述像素阵列包括M*N个像元和与所述像元一一对应的盲元，所述控制单元包 括盲元连接开关、行选开关、列选开关、传输开关、合并开关、放大单元及 其电容；每一个所述像元与相应的所述盲元通过所述盲元连接开关相连，所 述像元与相应的所述盲元的连接处通过所述传输开关与所述放大单元的输入 端相连；所述行选开关相连在所述像元和电源之间，所述列选开关连接在所 述盲元和接地端之间，所述像元阵列中，同一列共享一个所述放大器单元， 且相邻列所述放大单元的传输开关之间，通过所述合并开关相连；其中，所 述M和N大于等于2，所述盲元连接开关、行选开关、列选开关的数量为 M*N，所述传输开关的数量为N，所述合并开关为N-1；
当需要至少一个相邻X行*Y列合并时，所形成需合并区域的行选开关和 列选开关同时闭合，且所述需合并区域的盲元连接开关全部闭合，所述需合 并区域的合并开关全部闭合，所述需合并区域的传输开关选通一个闭合且其 余传输开关断开，以使所述需合并区域的所有所述像元的输出数据通过与所 述闭合的传输开关相应的放大器输出；其中，X小于等于M，Y小于等于N。
进一步地，M为X的整数倍，且N为Y的整数倍，较佳地，X等于Y。
进一步地，如果M为X的整数倍，且N不是Y的整数倍；N除以Y的 整数为A，余数为B；当所述像素阵列均需要执行X行*Y列合并时，M行 A*Y列部分按X行*Y列合并，M行余数(B＝N-A*Y)列按X行1列进行合 并。
进一步地，如果M不是X的整数倍，且N是Y的整数倍；M以X的整 数为A，余数为B；当所述像素阵列均需要执行X行*Y列合并时，A*X行N 列部分按X行*Y列合并，余数(B＝M-A*X)行N列按1行Y列进行合并。
进一步地，所述像元和所述盲元一一对应，且所述盲元设置在对应所述 像元结构下方。
进一步地，当不需要合并时，其工作模式之一为：断开所有的所述合并 开关，通过行选列读的模式，逐行读出数据。
进一步地，当不需要合并时，其工作模式之二为：断开所有的所述合并 开关，且同一列中仅设置一个所述盲元开关闭合，剩余的所述盲元开关为断 开，实现同一列共享一个盲元的模式，并通过行选列读的模式，逐行读出数 据。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种采用上述基于像元合并的红外探测器结构的合并方法，其包括如下 步骤：
当需要至少一个相邻X行*Y列合并时，所形成需合并区域的行选开关和 列选开关同时闭合，且所述需合并区域的盲元连接开关全部闭合，所述需合 并区域的合并开关全部闭合，所述需合并区域的传输开关选通一个闭合且其 余传输开关断开，以使所述需合并区域的所有所述像元的输出数据通过与所 述闭合的传输开关相应的放大器输出；其中，X小于等于M，Y小于等于N。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种红外探测器结构，其该技 术方案在探测器架构上实现了像元合并的功能，即能够输出大阵列且中等灵 敏度/响应率的效果，同时通过像元合并，输出中等阵列/高灵敏度/响应率的 输出效果，即通过像元合并来提升单个像元的灵敏度/响应率。
附图说明
图1所示为现有技术中一种红外探测器结构示意图
图2所示为本发明一较佳实施例中基于像元合并的红外探测器结构的示 意图
具体实施方式
下面结合附图2，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明红外探测器结构在像素阵列尺寸不变的情况下，通过增加一些盲 元，使像元合并以增强输出信号，从而达到输出中等阵列/高灵敏度/响应率 的输出效果，即通过像元合并来提升单个像元的灵敏度/响应率。并且，本发 明还可以通过选用盲元数量的不同，得到满足客户需要的单个像元的灵敏度/ 响应率。
需要说明的是，本发明实施例中的像元合并是针对M*M的像素阵列， 进行行合并加上列合并，在本发明的实施例中，以M*N像素阵列通过增加盲 元、连接开关和输出选通开关进行示例性说明。
具体地，本发明的基于像元合并的红外探测器结构，其包括像素阵列和 控制单元，所述像素阵列包括M*N个像元和与所述像元一一对应的盲元，所 述控制单元包括盲元连接开关、行选开关、列选开关、传输开关、合并开关、 放大单元及其电容；每一个所述像元与相应的所述盲元通过所述盲元连接开 关相连，所述像元与相应的所述盲元的连接处通过所述传输开关与所述放大 单元的输入端相连；所述行选开关相连在所述像元和电源之间，所述列选开 关连接在所述盲元和接地端之间，所述像元阵列中，同一列共享一个所述放 大器单元，且相邻列所述放大单元的传输开关之间，通过所述合并开关相连； 其中，所述M和N大于等于2，所述盲元连接开关、行选开关、列选开关的 数量为M*N，所述传输开关的数量为N，所述合并开关为N-1。
当需要至少一个相邻X行*Y列合并时，所形成需合并区域的行选开关和 列选开关同时闭合，且所述需合并区域的盲元连接开关全部闭合，所述需合 并区域的合并开关全部闭合，所述需合并区域的传输开关选通一个闭合且其 余传输开关断开，以使所述需合并区域的所有所述像元的输出数据通过与所 述闭合的传输开关相应的放大器输出；其中，X小于等于M，Y小于等于N。
也就是说，本发明可以针对市场提出的多功能复用的要求，即要求产品 输出大阵列且中等灵敏度/相应率的效果，同时要求输出中等阵列/高灵敏度/ 相应率的输出效果，以在同一场景下得到不同的输出效果，并满足不同应用 的要求。也就是说，本发明可通过调整X和Y的大小和组合方式，满足灵敏 度/响应率的要求。
请参阅图2，图2所示为本发明一较佳实施例中基于像元合并的红外探 测器结构的示意图。如图所示，在进行列像元合并时，是按X*Y个像素所组 成的需合并区域进行的，在某一时刻，M*N像素阵列中的一个或多个X*Y需 合并区域同时进行合并，在本发明的实施例中，像元和盲元一一对应，且所 述盲元设置在对应所述像元结构下方。
下面就在同一时刻，M*N像素阵列均需要执行合并时的情况进行示例性 说明，其它情况均包括在本发明的保护范围中，在此不再赘述。
实施例1
在本发明的实施例中，M为X的整数倍，且N为Y的整数倍，即在同 一时刻，M*N像素阵列均由多个X*Y个像素所组成的需合并区域完全覆盖， 可以实现整个M*N像素阵列的同步合并，即能输出中等阵列/高灵敏度/响应 率的效果。较佳地，X等于Y，此时，就可以实现像素阵列中的2*2、3*3和 4*4等小阵列合并。
下面以像素阵列M*N中的2*2小阵列合并进行说明(其中，M和N均 为2的整数)，其它情况与此和并原理相同，不再赘述。
如图2所示，需要合并的区域为第m行和第m+1行与第n列和第n+1 列交汇的4个像元，该4个像元有与其一一对应的4个盲元，还包括盲元连 接开关、行选开关、列选开关、传输开关、合并开关、放大单元及其电容； 每一个所述像元与相应的盲元通过所述盲元连接开关相连，像元与相应的所 述盲元的连接处通过所述传输开关与所述放大单元的输入端相连；行选开关 相连在所述像元和电源之间，列选开关连接在所述盲元和接地端之间，所述 像元阵列中，同一列共享一个所述放大器单元，且相邻列所述放大单元的传 输开关之间，通过所述合并开关相连；其中，盲元连接开关、行选开关、列 选开关的数量为4，所述传输开关的数量为2，所述合并开关为1。
当进行合并时，4个行选开关和列选开关同时闭合，且需合并区域的4 个盲元连接开关全部闭合，所述需合并区域的合并开关闭合，所述需合并区 域的2个传输开关选通一个闭合且其余一个传输开关断开，以使所述需合并 区域的所有所述像元的输出数据通过与所述闭合的传输开关相应的放大器输 出。
如图2所示，最终，n行和n+1行的m列和m+1列对应的2*2阵列的 像元信号实现了分别接各自的盲元，且经传输开关传输到放大器单元进行处 理输出。该方案达到了输出大阵列且中等灵敏度/响应率的效果。
实施例2
在本发明的实施例中，如果M为X的整数倍，且N不是Y的整数倍； 当所述像素阵列均需要执行合并时，N除以Y的整数倍A需合并部分按相邻 X行*Y列合并，剩余的(N-A*Y)列的部分按相邻X行*1列合并。
假设，像素阵列为4*5，那么，像素阵列为4*4部分的处理方式同实施 例1，剩余的一列在合并期间，同时进行相邻X行*(N-A*Y)列合并，即4*1 阵列的合并。
实施例3
如果M不是X的整数倍，且N是Y的整数倍；当所述像素阵列均需要 执行合并时，M除以X的整数倍B需合并部分按相邻X行*Y列合并，剩余 的(M-B*X)列的部分按1行*Y列合并。
假设，像素阵列为5*4，那么，像素阵列为4*4部分的处理方式同实施 例1，剩余的一行在合并期间，同时进行1行*Y列合并，即1*4阵列的合并。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明 的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构 变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，包括像素阵列和控制单元，所述像素阵列包括M*N个像元和与所述像元一一对应的盲元，所述控制单元包括盲元连接开关、行选开关、列选开关、传输开关、合并开关、放大单元及其电容；每一个所述像元与相应的所述盲元通过所述盲元连接开关相连，所述像元与相应的所述盲元的连接处通过所述传输开关与所述放大单元的输入端相连；所述行选开关相连在所述像元和电源之间，所述列选开关连接在所述盲元和接地端之间，所述像元阵列中，同一列共享一个所述放大单元，且相邻列所述放大单元的传输开关之间，通过所述合并开关相连，所述合并开关与所述传输开关的两个连接处均位于传输开关与像元之间；其中，所述M和N大于等于2，所述盲元连接开关、行选开关、列选开关的数量为M*N，所述传输开关的数量为N，所述合并开关为N-1；
当需要至少一个相邻X行*Y列合并时，所形成需合并区域的行选开关和列选开关同时闭合，且所述需合并区域的盲元连接开关全部闭合，所述需合并区域的合并开关全部闭合，所述需合并区域的传输开关选通一个闭合且其余传输开关断开，以使所述需合并区域的所有所述像元的输出数据通过与所述闭合的传输开关相应的放大器输出；其中，X小于等于M，Y小于等于N。
2.如权利要求1所述的基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，M为X的整数倍，且N为Y的整数倍。
3.如权利要求2所述的基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，X等于Y。
4.如权利要求1所述的基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，如果M为X的整数倍，且N不是Y的整数倍，N除以Y的整数为A，余数为B；当所述像素阵列均需要执行X行*Y列合并时，M行A*Y列部分按X行*Y列合并，M行余数(B＝N-A*Y)列按X行1列进行合并。
5.如权利要求1所述的基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，如果M不是X的整数倍，且N是Y的整数倍；M除以X的整数为A，余数为B；当所述像素阵列均需要执行X行*Y列合并时，A*X行N列部分按X行*Y列合并，余数(B＝M-A*X)行N列按1行Y列进行合并。
6.如权利要求1所述的基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，所述像元和所述盲元一一对应，且所述盲元设置在对应所述像元结构下方。
7.如权利要求1所述的基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，当不需要合并时，其工作模式之一为：断开所有的所述合并开关，通过行选列读的模式，逐行读出数据。
8.如权利要求1所述的基于像元合并的红外探测器结构，其特征在于，不需要合并时，其工作模式之二为：断开所有的所述合并开关，且同一列中仅设置一个所述盲元开关闭合，剩余的所述盲元开关为断开，实现同一列共享一个盲元的模式，并通过行选列读的模式，逐行读出数据。
9.一种采用权利要求1所述基于像元合并的红外探测器结构的合并方法，其特征在于，包括如下步骤：
当需要至少一个相邻X行*Y列合并时，所形成需合并区域的行选开关和列选开关同时闭合，且所述需合并区域的盲元连接开关全部闭合，所述需合并区域的合并开关全部闭合，所述需合并区域的传输开关选通一个闭合且其余传输开关断开，以使所述需合并区域的所有所述像元的输出数据通过与所述闭合的传输开关相应的放大器输出；其中，X小于等于M，Y小于等于N。
10.如权利要求9所述的合并方法，其特征在于，
如果M为X的整数倍，且N不是Y的整数倍；N除以Y的整数为A，余数为B；当所述像素阵列均需要执行X行*Y列合并时，M行A*Y列部分按X行*Y列合并，M行余数(B＝N-A*Y)列按X行1列进行合并；
如果M不是X的整数倍，且N是Y的整数倍；M以X的整数为A，余数为B；当所述像素阵列均需要执行X行*Y列合并时，A*X行N列部分按X行*Y列合并，余数(B＝M-A*X)行N列按1行Y列进行合并。
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| CN112082661A (zh) | 2020-12-15 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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