動態(tài)、單個光電二極管像素電路及其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于圖像傳感器的像素電路。更具體地，本發(fā)明設(shè)及一種像素電 路及其操作方法，其中，曝光測量電路配置為在瞬態(tài)檢測器電路檢測到感光器信號變化時， 從單個感光器的曝光獲得的所述感光器信號中測量曝光強(qiáng)度。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的圖像傳感器W預(yù)定的帖速率來獲取時間量化的視覺信息。每個帖承載來自 全部像素的信息，無論自最后的帖被獲取W來該信息是否改變。運(yùn)種方法根據(jù)場景的動態(tài) 內(nèi)容顯然會導(dǎo)致記錄的圖像數(shù)據(jù)或多或少程度的冗余。隨著現(xiàn)代的圖像傳感器向著更高的 空間分辨率和時間分辨率發(fā)展而該問題會惡化。從對于移動、靠電池供電的用戶設(shè)備要求 高速工業(yè)視覺系統(tǒng)來看，用于數(shù)據(jù)后處理所需的硬件會增加復(fù)雜性和成本，對于傳輸帶寬 和數(shù)據(jù)存儲容量的要求激增并且功耗增大，從而導(dǎo)致在全部類型的視覺應(yīng)用中的嚴(yán)格限 制。
[0003] -種處理視覺數(shù)據(jù)中的時間冗余的方法是帖差分編碼。運(yùn)種視頻壓縮的最簡單的 形式包括:在最初的關(guān)鍵帖之后，僅逐帖地傳輸超過限定的強(qiáng)度改變闊值的像素值。已知的 帖差分成像器依賴于圖像數(shù)據(jù)的全帖的獲取和處理，并且不能自洽地抑制時間冗余W及提 供實時壓縮的視頻輸出。此外，即使當(dāng)處理和差異量化在像素級進(jìn)行時，如在所有基于帖的 成像設(shè)備中，場景動態(tài)的獲取的時間分辨率仍受限于可實現(xiàn)的帖速率并且時間量化成該帖 速率。
[0004] 通過在第一位置處不記錄冗余數(shù)據(jù)，并且在傳感器輸出級直接降低數(shù)據(jù)量，來最 有效地避免數(shù)據(jù)冗余的不利影響。直接的好處是用于數(shù)據(jù)傳輸和后處理的帶寬、存儲器和 計算力要求降低，因此降低了系統(tǒng)功率、復(fù)雜性和成本。另外，由于場景動態(tài)被量化為視場 像素讀出的帖速率，所W傳統(tǒng)的CMOS或者CCD圖像傳感器操作基于帖的計時原理導(dǎo)致時間 分辨率方面受限W及差的動態(tài)范圍。
[0005] 本發(fā)明要解決的問題是提供運(yùn)種一種方法和裝置，其在（可記錄和可處理的光強(qiáng) 度的）寬動態(tài)范圍內(nèi)，連續(xù)地獲取具有高時間和強(qiáng)度分辨率的所觀測動態(tài)場景的全部視覺 信息，并且由此產(chǎn)生數(shù)據(jù)量的最小必要量。因而，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不是由包括全部像素的圖像信 息的連續(xù)帖組成，而是由變化(異步)流和各個像素的亮度（即，灰度級)信息組成，其中，僅 在各個像素的視場中光強(qiáng)度的實際變化由像素本身檢測出的情況下，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)才被記錄 和傳輸。
[0006] 本方法通過完全地抑制對于傳統(tǒng)圖像傳感器典型的圖片信息中的時間冗余，盡管 利用了包括相同的、甚至更高的信息量的數(shù)據(jù)，也導(dǎo)致了產(chǎn)生數(shù)據(jù)的實質(zhì)性減少。用于實施 前述方法的圖像傳感器的圖片元素 W及所需的異步數(shù)據(jù)讀取機(jī)制可W基于模擬電子電路 實現(xiàn)。具有大量運(yùn)種圖像元素的圖像傳感器通常被實現(xiàn)和制造為集成化片上系統(tǒng)(例如，采 用CMOS技術(shù)）。
[0007] 實施運(yùn)種傳感器并因而避免上述的傳統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)獲取的缺點(diǎn)會有利于寬范圍的 人工視覺應(yīng)用，包括工業(yè)高速視覺(例如，快速的目標(biāo)識別、運(yùn)動檢測和分析、目標(biāo)跟蹤等）、 汽車(例如，用于碰撞報警和避免的實時3D立體視覺、智能后視鏡等）、監(jiān)視和安全性(場景 監(jiān)視)或者機(jī)器人（自主導(dǎo)航，SLAM) W及生物醫(yī)學(xué)和科學(xué)化成像應(yīng)用。由于傳感器操作受到 人類視網(wǎng)膜的工作原理的啟發(fā)，所W-個有利的示例性應(yīng)用是基于由運(yùn)種傳感器傳送的數(shù) 據(jù)，利用可植入假體設(shè)備來處理盲人的退化視網(wǎng)膜。
[0008] 一種用于實現(xiàn)前述的完全時間冗余抑制的方案基于單個像素預(yù)處理和圖像信息 的獲取、受控事件（即，獨(dú)立于外部定時控制，例如時鐘、快口或者重置信號）W及有條件的 事件（即，僅在檢測出場景變化時）。如W下所解釋的，圖像數(shù)據(jù)獲取的控制被傳送至像素 級，并且可W采用很高的時間分辨率完成(例如，完全異步）。
[0009] 對于光學(xué)瞬態(tài)傳感器或者動態(tài)視覺傳感器(DVS)的情況，由單獨(dú)的、異步操作像素 所接收的光強(qiáng)度的變化通過電子電路（"瞬態(tài)檢測器"，在專利US 7,728,269中進(jìn)行了描述） 來檢測。
[0010] 美國專利申請US 2010/0182468 Al公開了組合瞬態(tài)檢測器電路，即曝光強(qiáng)度變化 檢測器電路和有條件曝光測量電路。瞬態(tài)檢測器電路僅當(dāng)在像素的視場中檢測出一定大小 的亮度變化時(并且在運(yùn)之后立即）單獨(dú)地并且異步地開啟新曝光估量的測量。運(yùn)種像素不 依賴于外部定時信號，并且僅在其具有新灰度級W進(jìn)行通信時獨(dú)立地請求對于(異步的和 任意的)輸出通道的訪問。因此，視覺上未激發(fā)的像素不產(chǎn)生輸出。另外，異步操作避免了基 于帖的獲取和掃描讀出的時間量化。
[0011] 針對每個像素，瞬態(tài)檢測器電路監(jiān)測從第一光電二極管獲得的感光器電壓，用于 檢測超過闊值的相對電壓變化。根據(jù)運(yùn)種檢測，瞬態(tài)檢測器電路輸出用于相同像素的曝光 測量電路的命令，W開始絕對強(qiáng)度測量，即絕對灰度級測量。曝光測量電路利用了像素中位 于與第一光電二極管相鄰的第二光電二極管，并且從利用瞬時光電流來對光電二極管結(jié)電 容進(jìn)行放電的持續(xù)時間中獲得其測量。
[0012] 然而，在US 2010/0182468 Al中所公開的像素電路由于其消耗較大面積用于像素 元件因而不能實現(xiàn)高分辨率，因此不是最佳的。此外，由于相應(yīng)的小光電流，通過直接的光 電流積分的基于時間曝光測量通常導(dǎo)致對于新的曝光值過長的測量時間，尤其是在低像素 照度水平。最終，利用用于變化檢測和曝光測量的兩個單獨(dú)的光電二極管引起圖像數(shù)據(jù)獲 取過程的空間離散性和運(yùn)動方向依賴性，導(dǎo)致成像質(zhì)量的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于提供具有更小面積要求的像素電路，允許更大的陣列尺寸或者 更小的傳感器忍片尺寸。本發(fā)明的目的還在于加速單獨(dú)的測量處理，且因此增加時間分辨 率。此外，本發(fā)明的目的在于避免利用兩個單獨(dú)的光電二極管所引起的變化檢測與曝光測 量之間的空間離散性，提高測量準(zhǔn)確性，并且因此改善圖像質(zhì)量。
[0014] 在運(yùn)個方面，本發(fā)明設(shè)及像素電路，其包括：
[0015] -前端電路，其包括單個光電二極管并且具有輸出，所述前端電路配置為用于在所 述輸出上傳送從所述單個光電二極管的曝光獲得的感光器信號；
[0016] -瞬態(tài)檢測器電路，其配置為用于檢測在所述輸出上傳送的所述感光器信號的變 化；
[0017] -曝光測量電路，其配置為用于在瞬態(tài)檢測器電路檢測到感光器信號的變化時，測 量在所述輸出上的傳送的所述感光器信號。
[0018] 對比于現(xiàn)有技術(shù)電路，其在一個光電二極管上檢測曝光變化，而在另一個光電二 極管上進(jìn)行曝光測量，所提出的像素電路僅要求每個像素一個光電二極管。相應(yīng)地，可W顯 著地降低像素元件的表面消耗，允許更大的陣列尺寸或者更小的傳感器忍片尺寸。分辨率 也得W提高。此外，避免了變化檢測與曝光測量之間的空間離散性，提高了測量準(zhǔn)確性，并 且因此改善了圖像質(zhì)量。非常有利地，如W下所解釋地，能夠顯著地減少灰度級測量的持續(xù) 時間，顯著地提高圖像數(shù)據(jù)獲取處理的時間分辨率。
[0019] 另外優(yōu)選地，盡管是非限制性的，單獨(dú)的或者在技術(shù)上可行的組合的像素電路的 方面如下：
[0020] -曝光測量電路包括：
[0021] -輸入，其連接至前端電路的輸出，用于接收感光器信號，
[0022] -電容器，其通過第一開關(guān)連接至所述輸入，所述第一開關(guān)配置為用于將所述電容 器與所述輸入斷開連接，
[0023] -源電流，其與第二開關(guān)串聯(lián)，與所述電容器并聯(lián)，所述第二開關(guān)配置為用于控制 所述電容器的放電；
[0024] -曝光測量電路包括電壓比較器，其具有連接至電容器的其中一個端子的信號輸 入，和連接參考電壓的參考輸入；
[0025] -電壓比較器具有：
[0026] -信號輸入，其連接至電容器的其中一個端子，W及
[0027] -參考輸入，其連接至參考開關(guān)，所述參考開關(guān)配置為用于將所述參考輸入選擇性 地連接至至少兩個參考電壓；
[0028] -瞬態(tài)檢測器電路包括:具有兩個通過跟隨器緩沖器分開的電容性反饋的單端反 相共源級的放大器，其中，第一電容器借助于感光器信號來進(jìn)行充電，并且至少一個闊值檢 測器布置為檢測在另一個電容器上的電壓是否超過闊值；
[0029] -前端電路包括連接至單個二極管的感光器電路，所述感光器電路包括：
[0030] -輸出，其用于傳送從所述單個光電二極管的曝光中獲得的感光器信號，
[0031] -第一感光器晶體管，其具有漏極和柵極，所述第一感光器晶體管的柵極連接至所 述輸出，
[0032] -附加的感光器晶體管，其具有漏極、源極和柵極，所述附加的感光器晶體管的源 極連接至所述單個光電二極管，W及其中，所述第一感光器晶體管和所述附加的感光器具 有公共源極；
[0033] -附加的感光器晶體管的柵極通過偏置電壓來進(jìn)行偏置，或者連接至第一感光器 晶體管和附加的感光器晶體管的公共源極；
[0034] -前端電路進(jìn)一步包括增益級，其用于放大在前端電路的輸出上傳送的感光器信 號，所述增益級包括：
[0035] -輸入，其連接至感光器電路的輸出，
[0036] -輸出，
[0037] -第一增益晶體管，其具有漏極、源極和柵極，第一增益晶體管的柵極連接至增益 級的輸入，第一增益晶體管的源極連接至偏置電壓，W及所述第一增益晶體管的漏極連接 至所述增益級的輸出，W及
[0038] -串聯(lián)的多個增益晶體管，串聯(lián)的每個增益晶體管具有漏極、源極和柵極，串聯(lián)的 每個增益晶體管的漏極連接至其柵極，并且所述串聯(lián)的多個漏極晶體管中的一個的漏極連 接至第一增益晶體管的漏極。
[0039] 本發(fā)明還設(shè)及一種圖像傳感器，其包括多個根據(jù)本發(fā)明的可能實施方案的像素電 路。
[0040] 本發(fā)明還設(shè)及一種用于操作根據(jù)本發(fā)明的一個可能實施方案的像素電路的方法， 其中，通過瞬態(tài)檢測器電路來檢測從在所述光電二極管處的入射光的強(qiáng)度所獲得的感光器 信號的變化，而開啟借助于曝光測量電路的光電二極管的曝光測量循環(huán)。
[0041] 其他優(yōu)選地，盡管是非限制性的，但是單獨(dú)的或者在技術(shù)上可行的組合的像素電 路的方面如下：
[0042] -借助于曝光測量電路的光電二極管的曝光測量循環(huán)還能夠通過外部施加的控制 信號來開啟，所述外部施加的控制