УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ДЛЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G06E1/00 H01L27/14 

Техническое решение относится к области интегральной микроэлектроники и может быть использовано в системах обработки оптической информации.

Известно устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (патент РФ №2282270 на изобретение, МПК: 8 H01L 27/14), обеспечивающее определение дальности до объектов на основе измерения временной задержки отраженных сигналов от индивидуальных импульсов лазерной подсветки. Устройство выполнено на полупроводниковой подложке, представляет собой многоканальную систему считывания в составе матрицы ячеек считывания, причем каждая ячейка считывания содержит усилитель, фильтр высоких частот, один из входов которого соединен с фотоприемником, а другой - со входом усилителя. В числе конструктивных элементов устройство содержит слой диэлектрика, МДП-затвор, МДП-транзистор, усилитель, источник постоянного напряжения, два генератора импульсов. Исток МДП-транзистора соединен с МДП-затвором, сток - с источником постоянного напряжения, затвор - с одним генератором импульсов. Подложка соединена с другим генератором импульсов. Вход усилителя подключен к МДП-затвору. Устройство дополнительно снабжено сопротивлением, один конец которого соединен с МДП-затвором, а другой конец - с источником постоянного напряжения.

Наличие в устройстве RC-фильтра высоких частот позволяет подавить постоянные или медленно меняющиеся компоненты сигналов и тем самым значительно увеличить динамический диапазон фотоприемного устройства (ФПУ). Подавление низкочастотных компонент сигналов позволяет выделить высокочастотные компоненты оптических сигналов, полученных при отражении импульса лазерного излучения - подсветки, в условиях низкой контрастности изображения. Например, в инфракрасных (ИК) системах измерения дальности до объектов.

К недостаткам приведенного устройства считывания относится невозможность повышения точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Данное устройство не обеспечивает возможности получения тепловизионного изображения.

Известно устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (F.Guelleec, M.Tchagaspanian, Е. de Borniol, et. al., «Advanced pixel design for infrared LADAR imaging)), Proc.of SPIE, Vol.6940, 69402M, (2008), Fig.l), выполненное на полупроводниковой подложке, представляющее собой многоканальную систему считывания в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения. Каждая ячейка содержит емкостной трансимпедансный усилитель, компаратор, два логических блока, две строчные шины управления, две столбцовые шины считывания. Канал считывания тепловизионного сигнала сформирован трансимпедансным усилителем, первой столбцовой шиной считывания, первой строчной шиной управления, канал измерения дальности до объектов изображения - трансимпедансным усилителем, компаратором, двумя логическими блоками, второй столбцовой шиной считывания, первой и второй строчными шинами управления. С входом емкостного трансимпедансного усилителя соединен фотодиод. Выход емкостного трансимпедансного усилителя соединен с первой столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи тепловизионного изображения, и с инвертирующим входом компаратора. Выход компаратора соединен с входом первого логического блока «Lock». Первый выход первого логического блока «Lock» соединен с входом второго логического блока «Track&Hold», первый выход которого соединен с второй столбцовой шиной считывания разрядностью N, предназначенной для передачи информация о дальности до объектов изображения, а второй выход - с второй строчной шиной управления «Time base». Второй выход первого логического блока «Lock» соединен с первой строчной шиной управления «Reset». Трансимпедансный услитель выполнен в составе операционного усилителя с неинвертирующим входом и инвертирующим входом, являющимся входом емкостного трансимпедансного усилителя, соединенным с фотодиодом, двух емкостей и замыкающего ключа «Reset». Параллельно операционному усилителю подключены две емкости C_2D и C_3D, одними концами указанные емкости соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, соединенным с фотодиодом, а вторыми концами - с выходом операционного усилителя, являющимся выходом трансимпедансного усилителя. Емкость C_2D выполнена с возможность включения/отключения путем подачи с первого выхода первого логического блока «Lock» управляющего напряжения на управляющий затвор ключа. Кроме того, инвертирующий вход операционного усилителя, являющийся входом емкостного трансимпедансного усилителя, соединен с одним концом замыкающего ключа «Reset», второй конец которого соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом трансимпедансного усилителя, а третий конец - с первой строчной шиной управления «Reset». Емкость C_2D выполнена с возможность включения/отключения путем подачи с первого выхода первого логического блока «Lock» управляющего напряжения на затвор ключа.

Устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения является устройством с реализацией функции формирования активных трехмерных изображений.

Известное устройство работает следующим образом.

Получение данных о дальности до объектов производится при отключенной емкости C_2D. На неинвертирующий вход компаратора подается линейно нарастающее напряжение V_th, синхронизированное с импульсом «Reset». Лазерная подсветка осуществляется в импульсном режиме, синхронизированном с управляющим импульсом «Reset». При совпадении уровней сигналов на входах компаратора происходит изменение состояния на его выходе, что позволяет фиксировать время прихода отраженного света лазерной подсветки и, соответственно, определить дальность до объекта изображения. После получения данных о дальности объекта на выходе логического блока «Lock» формируется управляющее напряжение, поступающее на управляющий затвор ключа, и в цепь обратной связи подключается емкость C_2D. Проводится второй цикл считывания сигнала. На выходе емкостного трансимпедансного усилителя формируется тепловизионное изображение и подается на первую столбцовую шину считывания.

К недостаткам второго приведенного устройства считывания относится невозможность повышения точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Причины заключаются в следующем.

Получение данных о дальности до объектов и тепловизионного изображения выполняется в отдельных циклах считывания, не одновременно, что обусловлено следующим. Уровень отраженных оптических сигналов значительно, на несколько порядков величины, меньше уровня фонового излучения. Поскольку зарядовая емкость трансимпедансного усилителя пропорциональна емкости в цепи обратной связи, а коэффициент преобразования обратно пропорционален этой емкости, поэтому для получения тепловизионного изображения необходимо включить емкость C_2D. Однако при подключении емкости C_2D величина напряжения на выходе трансимпедансного усилителя становится недостаточной для срабатывания компаратора. В связи с этим для получения данных о дальности необходим дополнительный цикл считывания с отключенной емкостью C_2D, при этом для емкостей C_2D, C_3D должно выполняться соотношение C_2D»C_3D.

Кроме того, точность определения дальности определяется разрядностью логических блоков (блоков «Lock», «Track&Hold»), из-за ограниченной площади ячейки считывания сложно обеспечить требуемую разрядность этих блоков. К тому же с увеличением разрядности счетчика во входной ячейке устройства считывания возрастает количество столбцовых шин считывания.

В качестве ближайшего аналога взято устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (F.Guelleec, M.Tchagaspanian, Е. de Borniol, et. al., «Advanced pixel design for infrared LADAR imaging)), Proc.of SPIE, Vol.6940, 69402M, (2008), Fig.3), выполненное на полупроводниковой подложке, представляющее собой многоканальную систему считывания в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения, формирующее как тепловизионное изображение в ИК-области спектра, так и трехмерное изображение на основе измерения временной задержки отраженных оптических сигналов от индивидуального импульса лазерной подсветки. Каждая ячейка считывания содержит прямоинжекционный узел ввода с буферным предусилителем, динамическое токовое зеркало с двумя выходами, усилитель, соединительную емкость, являющуюся фильтром высоких частот, компаратор, три логических блока, две строчные шины управления, две столбцовые шины считывания. С входом прямоинжекционного узла ввода с буферным предусилителем соединен фотодиод. Выход прямоинжекционного узла ввода с буферным предусилителем соединен с входом динамического токового зеркала, один выход которого соединен с первой столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи тепловизионного изображения, а второй выход - с входом усилителя, преобразующего ток в напряжение. Выход усилителя соединен с одной из обкладок соединительной емкости, являющейся фильтром высоких частот, другая обкладка которой соединена с инвертирующим входом компаратора. Выход компаратора соединен с входом первого логического блока «Lock». Первый выход первого логического блока «Lock» соединен с входом второго логического блока «Track&Hold», первый выход которого соединен с второй столбцовой шиной считывания разрядностью N, предназначенной для передачи информация о дальности до объектов изображения, а второй выход - с второй строчной шиной управления «Time base». Кроме того, первый выход первого логического блока «Lock» соединен с входом третьего логического блока integration control)). Второй вход первого логического блока «Lock» соединен с первой строчной шиной управления «Reset». Первый и второй выходы третьего логического блока integration control)) снабжены ключами.

Ключи выполнены с реализацией следующих двух возможностей. Первая возможность - первый выход третьего логического блока integration control)) посредством первого ключа соединен с первой обкладкой емкости, при этом второй выход третьего логического блока integration control)) посредством второго ключа соединен с второй обкладкой емкости, вторая обкладка емкости соединена с точкой «земли». Другая возможность - посредством второго ключа обкладки емкости соединены друг с другом, при этом первая обкладка посредством первого ключа соединена с первым выходом токового зеркала. Кроме того, первая обкладка соединена с первой столбцовой шиной считывания.

Усилитель, соединительная емкость, являющаяся фильтром высокой частоты, компаратор, три логических блока, вторая столбцовая шина считывания, две строчные шины управления образуют канал формирования данных о дальности объектов изображения. Усилитель, токовое зеркало, емкость, замыкающие ключи, управляющая строчная шина «Reset», первая столбцовая шина считывания образуют тепловизионный канал.

Как и второй вышеприведенный аналог рассмотренное устройство относится к устройствам с реализацией функции формирования активных трехмерных изображений.

Устройство работает следующим образом.

Тепловизионное изображение формируется интегрированием тока с второго выхода динамического токового зеркала на емкости при замыкании ключей, управляемых управляющими напряжениями, поступающими по строчной шине «Reset». Данные о дальности объектов формируются в цепи выхода динамического токового зеркала, содержащей предусилитель, соединительную емкость, выполняющую функцию фильтра высокой частоты, компаратор, выход которого соединен с входом одного из трех логических блоков, и далее соединяющейся со второй столбцовой шиной считывания. Логические блоки управляются напряжениями, поступающими по строчным шинам «Reset», «Time base», обеспечивают измерение временной задержки прихода отраженных оптических сигналов лазерной подсветки в импульсном режиме.

К недостаткам ближайшего аналога относится невозможность повышения точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Причины заключаются в следующем.

Во-первых, использование прямоинжекционного узла ввода с буферным предусилителем и динамическим токовым зеркалом в сочетании с тем, что тепловизионный сигнал и сигнал, поступающий в канал формирования данных о дальности до объектов изображения, поступают с разных выходов динамического токового зеркала, имеющих разброс передаточных характеристик, что приводит к снижению точности определения дальности до объектов изображения. Кроме того, в такой структурной схеме необходимо использовать дополнительный усилитель, преобразующий ток в напряжение. Сигнал с усилителя подается на одну из обкладок соединительной емкости, являющейся составной частью фильтра высоких частот. Далее сигнал с выхода фильтра высокой частоты поступает на вход компаратора без дополнительного усиления, что ограничивает чувствительность канала формирования информации о дальности до объектов изображения.

Во-вторых, точность определения дальности задается разрядностью логических блоков (блоков «Lock», «Track&HoId»). Из-за ограниченной площади ячейки считывания сложно обеспечить требуемую разрядность этих блоков, разместить в ячейке прямоинжекционное устройство считывания с буферным предусилителем и динамическим токовым зеркалом с дополнительным выходом, усилитель для преобразования тока с выхода динамического зеркала в напряжение. Кроме того, с увеличением разрядности возрастает количество столбцовых шин считывания в ячейке устройства.

Техническим результатом решения является повышение точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения.

Технический результат достигается в устройстве считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения, содержащем многоканальную систему считывания с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n, первой и второй строчных шин управления, а также первой и второй столбцовых шин считывания, предназначенных, соответственно, для передачи тепловизионного изображения и для передачи информация о дальности до объектов изображения, в ячейке считывания выполнены непосредственно усилитель, фильтр высоких частот, компаратор, также в ячейке считывания выполнен трансимпедансный усилитель, управляющий вход которого соединен с второй строчной шиной управления, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом, а неинвертирующий вход предназначен для подачи постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде, выход трансимпедансного усилителя соединен с первой столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи тепловизионного изображения, вторая строчная шина управления соединена с выходом управляемого М-разрядного строчного счетчика, вход которого соединен с первой строчной шиной управления, канал считывания тепловизионного сигнала образован трансимпедансным усилителем и первой столбцовой шиной считывания, кроме того, выход трансимпедансного усилителя соединен с входом фильтра высокой частоты, выход которого соединен с входом усилителя, выход усилителя связан с инвертирующим входом компаратора, а неинвертирующий вход компаратора предназначен для подачи постоянного напряжения смещения, выход компаратора соединен со счетным входом выполненного в ячейке считывания N-разрядного счетчика и с инвертирующим входом выполненного в ячейке считывания логического элемента «И», неинвертирующий вход логического элемента «И» соединен с управляющим входом N-разрядного счетчика и с первой строчной шиной управления, выход N- разрядного счетчика соединен с второй столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи информация о дальности до объектов изображения, выход логического элемента «И» соединен с третьей столбцовой шиной считывания, предназначенной для определения времени прихода отраженного импульса лазерной подсветки в промежутке между i и i+1 импульсами, поступающими по первой строчной шине управления, при этом канал измерения дальности до объектов изображения образован трансимпедансным усилителем, фильтром высокой частоты, усилителем, компаратором, N-разрядным счетчиком, логическим элементом «И», второй столбцовой шиной считывания, третьей столбцовой шиной считывания, первая и вторая строчные шины управления, управляемый M-разрядный строчный счетчик выполнены общими для строк ячеек считывания, первая, вторая и третья столбцовые шины считывания выполнены общими для столбца ячеек считывания.

В устройстве считывания третий трансимпедансный усилитель выполнен в составе операционного усилителя, емкости, одна из обкладок которой соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, являющимся инвертирующим входом трансимпедансного усилителя, а другая обкладка - с выходом операционного усилителя, являющимся выходом трансимпедансного усилителя, ключа, одним выходом соединенного с инвертирующим входом операционного усилителя, а другим выходом - с выходом операционного усилителя, и управляющим входом, соединенным с второй строчной шиной управления и являющимся управляющим входом трансимпедансного усилителя, с возможностью подачи на неинвертирующий вход операционного усилителя, являющегося неинвертирующим входом трансимпедансного усилителя, постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом.

В устройстве считывания третья вторая строчная шина управления выполнена как M-разрядная строчная шина управления, вторая столбцовая шина считывания выполнена как N-разрядная столбцовая шина считывания.

В устройстве считывания третья столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с одним входом логического элемента «И» ячейки мультиплексора, другой вход которого соединен с первой строчной шиной управления, которая выполнена распараллеленной, выход логического элемента «И» ячейки мультиплексора соединен с второй M-разрядной выходной шиной мультиплексора, вторая столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с третьей N-разрядной выходной шиной мультиплексора, первая столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с входом канала считывания ячейки мультиплексора, выход которого соединен с первой выходной шиной мультиплексора.

Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и чертежом.

На чертеже представлена схема устройства считывания, а также схематически показаны элементы, не относящиеся непосредственно к конструкции устройства, - фотодиод и элементы мультиплексора, где 1 - фотодиод (ФД); 2 - контакт к базовой области фотодиода; 3 - операционный усилитель (ОУ); 4 - неинвертирующий вход операционного усилителя (неинвертирующий вход ОУ); 5 - емкость; 6 - ключ; 7 - выход операционного усилителя (выход ОУ); 8 - фильтр высокой частоты (ФВЧ); 9 - усилитель; 10 - компаратор; 11 - неинвертирующий вход компаратора; 12 - N-разрядный счетчик; 13 - счетный вход N-разрядного счетчика; 14 - управляющий вход N-разрядного счетчика; 15 - логический элемент «И» (ЛЭ«И»); 16 и 17 - первый и второй входы логического элемента «И» (ЛЭ«И>>); 18, 19 и 20 - первая, вторая и третья столбцовые шины считывания (СШС); 21 - первая строчная шина управления (СШУ); 22 - управляемый M-разрядный строчный счетчик; 23 - вторая строчная шина управления (СШУ); 24 -логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ); 25 - первый вход логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ); 26 - канал считывания предусилителя ячейки мультиплексора (КСПЯМ); 27 - первая выходная шина мультиплексора (ВШМ); 28 - вторая M-разрядная выходная шина мультиплексора (ВШМ); 29 - третья N-разрядная выходная шина мультиплексора (ВШМ).

Достижение технического результата в предлагаемом техническом решении (см. чертеж) базируется на конструктивном выполнении устройства считывания, в котором оно содержит M-разрядный строчный счетчик 22 и N-разрядный счетчик 12. Точность определения дальности до объектов изображения определяется разрядностью. Суммарная разрядность двух счетчиков, N-разрядного счетчика 13, размещенного непосредственно в ячейке считывания, и M-разрядного строчного счетчика 22, вход которого соединен с первой строчной шиной управления (СШУ) 21, а выход - со второй строчной шиной управления, обеспечивает более высокую точность определения дальности до объектов изображения:

Отличительные особенности предлагаемого устройства считывания заключаются в следующем.

Во-первых, сигналы в каналы считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения поступают с одного выхода трансимпедансного усилителя. С выхода компаратора 10 сигнал подается на счетный вход N-разрядного счетчика 12. Это позволяет получать тепловизионное изображение и время задержки прихода отраженных импульсов лазерной подсветки от объекта в едином цикле считывания.

Во-вторых, устройство обеспечивает повышение точности определения дальности до объектов изображения. Так как разрядность и, следовательно, точность определения времени задержки прихода отраженных импульсов лазерной подсветки от объекта наблюдения обуславливается суммарной разрядностью счетчика 12, выполненного с разрядностью N, расположенного в ячейке считывания, и общего для строки ячеек считывания счетчика 22, выполненного с разрядностью M.

В-третьих, в канале измерения дальности до объектов изображения, конструктивный элемент 22, а также относящиеся к мультиплексору конструктивные элементы 24, 25 (см. Фиг.) являются общими, соответственно, для строки ячеек считывания (M-разрядный счетчик 22), а также столбца ячеек считывания (логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24, канал считывания предусилителя ячейки мультиплексора (КСПЯМ) 26). За счет этого уменьшается количество столбцовых шин считывания (на M разрядов), что в свою очередь обеспечивает возможность уменьшения шага фоточувствительных ячеек (фотодиодов (ФД) 1) и, как следствие, повышение пространственного разрешения и формата многоэлементного ИК ФПУ.

В предлагаемом устройстве считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения реализуется функция формирования активных трехмерных изображений.

Устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения (см. чертеж) содержит многоканальную систему считывания, в которой реализованы канал считывания тепловизионного сигнала и канал измерения дальности до объектов изображения в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n, первой и второй строчных шин управления, соответственно, 21 и 23, а также первой, второй и третьей столбцовых шины считывании, соответственно, 18,19 и 20, предназначенных, соответственно, для передачи тепловизионного изображения, для передачи информация о дальности до объектов изображения, для определения времени прихода отраженного импульса лазерной подсветки в промежутке между i и i+1 импульсами, поступающими по первой строчной шине управления, и кроме того, управляемого M-разрядного строчного счетчика 22. В ячейке считывания выполнены непосредственно трансимпедансный усилитель, фильтр высоких частот (ФВЧ) 8, усилитель 9, компаратор 10, N-разрядный счетчик 12, логический элемент «И» (ЛЭ«И») 15.

Управляющий вход трансимпедансного усилителя соединен с второй строчной шиной управления (СШУ) 23, инвертирующий вход его предназначен для соединения с фотодиодом (ФД) 1, а неинвертирующий вход предназначен для подачи постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде (ФД 1). Выход трансимпедансного усилителя соединен с первой столбцовой шиной считывания (СШС) 18, которая предназначена для передачи тепловизионного изображения. Канал считывания тепловизионного сигнала образован трансимпедансным усилителем и первой столбцовой шиной считывания (СШС) 18. Вторая строчная шина управления (СШУ) 23 соединена с выходом управляемого M-разрядного строчного счетчика 22, вход которого соединен с первой строчной шиной управления (СШУ) 21.

Кроме того, выход трансимпедансного усилителя соединен с входом фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8, выход которого соединен с входом усилителя 9. Выход усилителя связан с инвертирующим входом компаратора 10, а неинвертирующий вход 11 компаратора 10 предназначен для подачи постоянного напряжения смещения. Выход компаратора 10 соединен со счетным входом 13 N-разрядного счетчика 12 и с инвертирующим входом 16 логического элемента «И» 15. Вход 17 логического элемента «И» 15 соединен с управляющим входом 14 N-разрядного счетчика 12 и с первой строчной шиной управления (СШУ) 21. Выход N-разрядного счетчика 12 соединен с второй столбцовой шиной считывания (СШС) 19, которая предназначена для передачи информация о дальности до объектов изображения. Выход логического элемента «И» 15 соединен с третьей столбцовой шиной считывания (СШС) 20, которая предназначена для определения времени прихода отраженного импульса лазерной подсветки в промежутке между i и i+1 импульсами, поступающими по первой строчной шине управления (СШУ) 21. Канал измерения дальности до объектов изображения образован трансимпедансным усилителем, фильтром высокой частоты (ФВЧ) 8, усилителем 9, компаратором 10, N-разрядным счетчиком 12, логическим элементом «И» 15, второй столбцовой шиной считывания (СШС) 19, третьей столбцовой шиной считывания (СШС) 20.

В устройстве первая и вторая строчные шины управления (СШУ), соответственно, 21 и 23, управляемый M-разрядный строчный счетчик 22 выполнены общими для всех строк ячеек считывания. Первая, вторая и третья столбцовые шины считывания (СШС), соответственно, 18, 19 и 20 выполнены общими для столбца ячеек считывания.

Устройство выполнено на полупроводниковой подложке или другой аналогичной подложке.

В частном случае реализации устройства трансимпедансный усилитель выполнен в составе операционного усилителя 3, емкости 5, ключа 6. Одна из обкладок емкости 5 соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 3, являющимся инвертирующим входом трансимпедансного усилителя. Другая обкладка емкости 5 соединена с выходом операционного усилителя 3, являющимся выходом трансимпедансного усилителя. Ключ 6 одним выходом соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 3, а другим выходом - с выходом операционного усилителя 3, а управляющим входом, являющимся управляющим входом трансимпедансного усилителя, соединен с второй строчной шиной управления (СШУ) 23. Неинвертирующий вход 4 операционного усилителя 3, являющийся неинвертирующим входом трансимпедансного усилителя, предназначен для подачи постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде (ФД) 1, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом (ФД) 1 со стороны противоположной к контакту базовой области 2 фотодиода (ФД) 1. Кроме представленного здесь варианта реализации трансимпедансного усилителя, он может быть реализован как в вышеприведенном втором аналоге.

Вторая строчная шина управления (СШУ) 23 выполнена как M-разрядная строчная шина управления, вторая столбцовая шина считывания (СШС) 19 выполнена как N-разрядная столбцовая шина считывания.

Третья столбцовая шина считывания (СШС) 20 выполнена (см. чертеж) с возможностью соединения с одним входом логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24, другой вход (первый вход 25 логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24) которого соединен с первой строчной шиной управления (СШУ) 21, а выход логического элемента «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 25 соединен с второй M-разрядной выходной шиной мультиплексора (ВШМ) 28. Первая строчная шина управления (СШУ) 21 выполнена распараллеленной. Вторая столбцовая шина считывания (СШС) 19 выполнена с возможностью соединения с третьей N-разрядной выходной шиной мультиплексора (ВШМ) 29. Первая столбцовая шина считывания (СШС) 18 выполнена с возможностью соединения с входом канала считывания ячейки мультиплексора (КСПЯМ) 26, выход которого соединен с первой выходной шиной мультиплексора (ВШМ) 27 (см. Фиг.).

Устройство работает следующим образом.

Формирование тепловизионного изображения и измерение дальности до объектов изображения осуществляется одновременно. Для нижеследующего описания функционирования устройства в качестве базового положения принимается следующее. При отсутствии отраженных сигналов лазерной подсветки в импульсном режиме уровень сигналов растет равномерно пропорционально времени накопления (T_нак), то есть спектральный диапазон ограничен частотой 1/T_нак. Сигнал отраженной лазерной подсветки повторяет с некоторой определенной задержкой во времени импульс лазерной подсветки. Наличие фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8 в цепи канала измерения дальности до объектов изображения позволяет подавить постоянные или медленно меняющиеся компоненты сигналов (в полосе частот, не превышающей частоты 1/T_нак), выделить высокочастотные компоненты сигналов, которые несут информацию о сигнале отраженной лазерной подсветки, то есть информацию о дальности до объекта изображения и снизить требования к динамическому диапазону канала измерения дальности до объектов изображения. Причем сигнал на вход канала измерения дальности подается с общего с каналом считывания тепловизионного сигнала выхода (выход трансимпедансного усилителя).

Пусть на вход первой строчной шины управления (СШУ) 21 подается последовательность импульсов с периодом T₂₁. С выхода управляемого M-разрядного строчного счетчика 22, с предустановкой его начального состояния, по второй строчной шине управления (СШУ) 23 на управляющий вход ключа 6 подается каждый K-й импульс, кратковременно замыкающий ключ 6. При этом K задается состоянием на выходе счетчика 22 и может принимать значения от 1 до 2^М, где M - разрядность строчного счетчика 22. Промежуток времени между импульсами при их подаче по второй СШУ 23 определяется временем накопления T_нак, которое равно длительности K периодов импульсов, поступающих с внешнего входа по первой СШУ 21. Емкость 5, являющаяся емкостью цепи обратной связи трансимпедансного усилителя, обеспечивает достаточную величину зарядовой емкости для формирования тепловизионного изображения. С выхода трансимпедансного усилителя, являющегося выходом операционного усилителя (выход ОУ) 7, тепловизионный сигнал передается непосредственно на первую столбцовую шину считывания (СШС) 18 и далее через канал считывания предусилителя ячейки мультиплексора (КСПЯМ) 26 на первую выходную шину мультиплексора (ВШМ) 27. Одновременно с этим сигнал с выхода трансимпедансного усилителя, являющегося выходом операционного усилителя (выход ОУ) 7, подается на вход фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8, усиливается, проходя через усилитель 9, и далее поступает на инвертирующий вход компаратора 10. На неинвертирующий вход 11 компаратора 10 подается постоянное напряжение смещения заданной величины. При превышении уровнем сигнала на инвертирующем входе компаратора 10 заданной величины напряжения смещения на неинвертирующем входе 11 состояние на выходе компаратора 10 изменяется. При изменении состояния на выходе компаратора 10 формируется сигнал, поступающий на вход N-разрядного счетчика 12 - его счетный вход 13, счетчик осуществляет счет, меняя свое состояние. При подаче очередного импульса на управляющий вход 14 N-разрядного счетчика 12 от первой строчной шины управления (СШУ) 21 состояние с выхода N-разрядного счетчика 12 передается на вторую N-разрядную столбцовую шину считывания (СШС) 19. Таким образом, по состоянию N-разрядного счетчика 12 определяется время прихода отраженного сигнала лазерной подсветки в промежутке между произвольным i и i+1 импульсами, поступающими по первой СШУ 21. Время формирования импульса лазерной подсветки может быть синхронизировано с произвольным импульсом, поступающим по СШУ 21. Тактовая частота N-разрядного счетчика 12 в 2N выше тактовой частоты M-разрядного строчного счетчика 22. Выход компаратора 10 также соединен с первым входом 16 логического элемента «И» (ЛЭ«И») 15. При совпадении сигнала с выхода компаратора 10 с одним из импульсов, поступающих по первой СШУ 21, на выходе логического элемента «И» (ЛЭ«И») 15 формируется сигнал, определяющий с точностью до номера импульса, поступающего по СШУ 21, промежуток времени прихода сигналов отражения лазерной подсветки и передается по третьей столбцовой шине считывания (СШС) 20 в аналоговом виде. Далее, этот сигнал с СШС 20 логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24 преобразует из аналогового вида в цифровой код. Таким образом, канал измерения дальности до объектов изображения, выполненный в предлагаемом устройстве считывания в составе фильтра высокой частоты (ФВЧ) 8, усилителя 9, компаратора 10, N-разрядного счетчика 12, логического элемента «И» (ЛЭ«И») 15, второй и третьей столбцовых шин считывания 19 и 20, соответственно, вырабатывает сигналы, по которым получают время задержки прихода отраженных импульсов лазерной подсветки с точностью, соответствующей разрядности N+M. Эти сигналы затем поступают в мультиплексор, в частности сигнал поступает с второй СШУ 19 на третью N-разрядную выходную шину мультиплексора (ВШМ) 29, сигнал поступает с третьей СШУ 20 на логический элемент «И» ячейки мультиплексора (ЛЭ«И»ЯМ) 24, после преобразования в цифровую форму - на вторую M-разрядную выходную шину мультиплексора (ВШМ) 28 (см. чертеж).

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и предназначено для обработки оптической информации. Техническим результатом является повышение точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Устройство содержит многоканальную систему считывания с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n, трансимпедансный усилитель, фильтр высоких частот, усилитель, компаратор, счетчики, строчные шины управления, столбцовые шины считывания, логические элементы И. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство считывания для многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения, содержащее многоканальную систему считывания с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n, первой и второй строчных шин управления, а также первой и второй столбцовых шин считывания, предназначенных, соответственно, для передачи тепловизионного изображения и для передачи информации о дальности до объектов изображения, в ячейке считывания выполнены непосредственно усилитель, фильтр высоких частот, компаратор, отличающееся тем, что в ячейке считывания выполнен трансимпедансный усилитель, управляющий вход которого соединен с второй строчной шиной управления, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом, а неинвертирующий вход предназначен для подачи постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде, выход трансимпедансного усилителя соединен с первой столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи тепловизионного изображения, вторая строчная шина управления соединена с выходом управляемого M-разрядного строчного счетчика, вход которого соединен с первой строчной шиной управления, канал считывания тепловизионного сигнала образован трансимпедансным усилителем и первой столбцовой шиной считывания, кроме того, выход трансимпедансного усилителя соединен с входом фильтра высокой частоты, выход которого соединен с входом усилителя, выход усилителя связан с инвертирующим входом компаратора, а неинвертирующий вход компаратора предназначен для подачи постоянного напряжения смещения, выход компаратора соединен со счетным входом выполненного в ячейке считывания N-разрядного счетчика и с инвертирующим входом выполненного в ячейке считывания логического элемента «И», неинвертирующий вход логического элемента «И» соединен с управляющим входом N-разрядного счетчика и с первой строчной шиной управления, выход N-разрядного счетчика соединен с второй столбцовой шиной считывания, предназначенной для передачи информации о дальности до объектов изображения, выход логического элемента «И» соединен с третьей столбцовой шиной считывания, предназначенной для определения времени прихода отраженного импульса лазерной подсветки в промежутке между i и i+1 импульсами, поступающими по первой строчной шине управления, при этом канал измерения дальности до объектов изображения образован трансимпедансным усилителем, фильтром высокой частоты, усилителем, компаратором, N-разрядным счетчиком, логическим элементом «И», второй столбцовой шиной считывания, третьей столбцовой шиной считывания, первая и вторая строчные шины управления, управляемый M-разрядный строчный счетчик выполнены общими для строк ячеек считывания, первая, вторая и третья столбцовые шины считывания выполнены общими для столбца ячеек считывания.

2. Устройство считывания по п.1, отличающееся тем, что трансимпедансный усилитель выполнен в составе операционного усилителя, емкости, одна из обкладок которой соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, являющимся инвертирующим входом трансимпедансного усилителя, а другая обкладка - с выходом операционного усилителя, являющимся выходом трансимпедансного усилителя, ключа, одним выходом соединенного с инвертирующим входом операционного усилителя, а другим выходом - с выходом операционного усилителя, и управляющим входом, соединенным с второй строчной шиной управления и являющимся управляющим входом трансимпедансного усилителя, с возможностью подачи на неинвертирующий вход операционного усилителя, являющегося неинвертирующим входом трансимпедансного усилителя, постоянного напряжения, определяющего напряжение смещения на фотодиоде, инвертирующий вход предназначен для соединения с фотодиодом.

3. Устройство считывания по п.1, отличающееся тем, что вторая строчная шина управления выполнена как M-разрядная строчная шина управления, вторая столбцовая шина считывания выполнена как N-разрядная столбцовая шина считывания.

4. Устройство считывания по п.1, отличающееся тем, что третья столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с одним входом логического элемента «И» ячейки мультиплексора, другой вход которого соединен с первой строчной шиной управления, которая выполнена распараллеленной, выход логического элемента «И» ячейки мультиплексора соединен с второй M-разрядной выходной шиной мультиплексора, вторая столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с третьей N-разрядной выходной шиной мультиплексора, первая столбцовая шина считывания выполнена с возможностью соединения с входом канала считывания ячейки мультиплексора, выход которого соединен с первой выходной шиной мультиплексора.