动态、单个光电二极管像素电路及其操作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于图像传感器的像素电路。更具体地，本发明设及一种像素电 路及其操作方法，其中，曝光测量电路配置为在瞬态检测器电路检测到感光器信号变化时， 从单个感光器的曝光获得的所述感光器信号中测量曝光强度。
【背景技术】
[0002] 传统的图像传感器W预定的帖速率来获取时间量化的视觉信息。每个帖承载来自 全部像素的信息，无论自最后的帖被获取W来该信息是否改变。运种方法根据场景的动态 内容显然会导致记录的图像数据或多或少程度的冗余。随着现代的图像传感器向着更高的 空间分辨率和时间分辨率发展而该问题会恶化。从对于移动、靠电池供电的用户设备要求 高速工业视觉系统来看，用于数据后处理所需的硬件会增加复杂性和成本，对于传输带宽 和数据存储容量的要求激增并且功耗增大，从而导致在全部类型的视觉应用中的严格限 制。
[0003] -种处理视觉数据中的时间冗余的方法是帖差分编码。运种视频压缩的最简单的 形式包括:在最初的关键帖之后，仅逐帖地传输超过限定的强度改变阔值的像素值。已知的 帖差分成像器依赖于图像数据的全帖的获取和处理，并且不能自洽地抑制时间冗余W及提 供实时压缩的视频输出。此外，即使当处理和差异量化在像素级进行时，如在所有基于帖的 成像设备中，场景动态的获取的时间分辨率仍受限于可实现的帖速率并且时间量化成该帖 速率。
[0004] 通过在第一位置处不记录冗余数据，并且在传感器输出级直接降低数据量，来最 有效地避免数据冗余的不利影响。直接的好处是用于数据传输和后处理的带宽、存储器和 计算力要求降低，因此降低了系统功率、复杂性和成本。另外，由于场景动态被量化为视场 像素读出的帖速率，所W传统的CMOS或者CCD图像传感器操作基于帖的计时原理导致时间 分辨率方面受限W及差的动态范围。
[0005] 本发明要解决的问题是提供运种一种方法和装置，其在（可记录和可处理的光强 度的）宽动态范围内，连续地获取具有高时间和强度分辨率的所观测动态场景的全部视觉 信息，并且由此产生数据量的最小必要量。因而，产生的数据不是由包括全部像素的图像信 息的连续帖组成，而是由变化(异步)流和各个像素的亮度（即，灰度级)信息组成，其中，仅 在各个像素的视场中光强度的实际变化由像素本身检测出的情况下，产生的数据才被记录 和传输。
[0006] 本方法通过完全地抑制对于传统图像传感器典型的图片信息中的时间冗余，尽管 利用了包括相同的、甚至更高的信息量的数据，也导致了产生数据的实质性减少。用于实施 前述方法的图像传感器的图片元素 W及所需的异步数据读取机制可W基于模拟电子电路 实现。具有大量运种图像元素的图像传感器通常被实现和制造为集成化片上系统(例如，采 用CMOS技术）。
[0007] 实施运种传感器并因而避免上述的传统图像数据获取的缺点会有利于宽范围的 人工视觉应用，包括工业高速视觉(例如，快速的目标识别、运动检测和分析、目标跟踪等）、 汽车(例如，用于碰撞报警和避免的实时3D立体视觉、智能后视镜等）、监视和安全性(场景 监视)或者机器人（自主导航，SLAM) W及生物医学和科学化成像应用。由于传感器操作受到 人类视网膜的工作原理的启发，所W-个有利的示例性应用是基于由运种传感器传送的数 据，利用可植入假体设备来处理盲人的退化视网膜。
[0008] 一种用于实现前述的完全时间冗余抑制的方案基于单个像素预处理和图像信息 的获取、受控事件（即，独立于外部定时控制，例如时钟、快口或者重置信号）W及有条件的 事件（即，仅在检测出场景变化时）。如W下所解释的，图像数据获取的控制被传送至像素 级，并且可W采用很高的时间分辨率完成(例如，完全异步）。
[0009] 对于光学瞬态传感器或者动态视觉传感器(DVS)的情况，由单独的、异步操作像素 所接收的光强度的变化通过电子电路（"瞬态检测器"，在专利US 7,728,269中进行了描述） 来检测。
[0010] 美国专利申请US 2010/0182468 Al公开了组合瞬态检测器电路，即曝光强度变化 检测器电路和有条件曝光测量电路。瞬态检测器电路仅当在像素的视场中检测出一定大小 的亮度变化时(并且在运之后立即）单独地并且异步地开启新曝光估量的测量。运种像素不 依赖于外部定时信号，并且仅在其具有新灰度级W进行通信时独立地请求对于(异步的和 任意的)输出通道的访问。因此，视觉上未激发的像素不产生输出。另外，异步操作避免了基 于帖的获取和扫描读出的时间量化。
[0011] 针对每个像素，瞬态检测器电路监测从第一光电二极管获得的感光器电压，用于 检测超过阔值的相对电压变化。根据运种检测，瞬态检测器电路输出用于相同像素的曝光 测量电路的命令，W开始绝对强度测量，即绝对灰度级测量。曝光测量电路利用了像素中位 于与第一光电二极管相邻的第二光电二极管，并且从利用瞬时光电流来对光电二极管结电 容进行放电的持续时间中获得其测量。
[0012] 然而，在US 2010/0182468 Al中所公开的像素电路由于其消耗较大面积用于像素 元件因而不能实现高分辨率，因此不是最佳的。此外，由于相应的小光电流，通过直接的光 电流积分的基于时间曝光测量通常导致对于新的曝光值过长的测量时间，尤其是在低像素 照度水平。最终，利用用于变化检测和曝光测量的两个单独的光电二极管引起图像数据获 取过程的空间离散性和运动方向依赖性，导致成像质量的降低。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于提供具有更小面积要求的像素电路，允许更大的阵列尺寸或者 更小的传感器忍片尺寸。本发明的目的还在于加速单独的测量处理，且因此增加时间分辨 率。此外，本发明的目的在于避免利用两个单独的光电二极管所引起的变化检测与曝光测 量之间的空间离散性，提高测量准确性，并且因此改善图像质量。
[0014] 在运个方面，本发明设及像素电路，其包括：
[0015] -前端电路，其包括单个光电二极管并且具有输出，所述前端电路配置为用于在所 述输出上传送从所述单个光电二极管的曝光获得的感光器信号；
[0016] -瞬态检测器电路，其配置为用于检测在所述输出上传送的所述感光器信号的变 化；
[0017] -曝光测量电路，其配置为用于在瞬态检测器电路检测到感光器信号的变化时，测 量在所述输出上的传送的所述感光器信号。
[0018] 对比于现有技术电路，其在一个光电二极管上检测曝光变化，而在另一个光电二 极管上进行曝光测量，所提出的像素电路仅要求每个像素一个光电二极管。相应地，可W显 著地降低像素元件的表面消耗，允许更大的阵列尺寸或者更小的传感器忍片尺寸。分辨率 也得W提高。此外，避免了变化检测与曝光测量之间的空间离散性，提高了测量准确性，并 且因此改善了图像质量。非常有利地，如W下所解释地，能够显著地减少灰度级测量的持续 时间，显著地提高图像数据获取处理的时间分辨率。
[0019] 另外优选地，尽管是非限制性的，单独的或者在技术上可行的组合的像素电路的 方面如下：
[0020] -曝光测量电路包括：
[0021] -输入，其连接至前端电路的输出，用于接收感光器信号，
[0022] -电容器，其通过第一开关连接至所述输入，所述第一开关配置为用于将所述电容 器与所述输入断开连接，
[0023] -源电流，其与第二开关串联，与所述电容器并联，所述第二开关配置为用于控制 所述电容器的放电；
[0024] -曝光测量电路包括电压比较器，其具有连接至电容器的其中一个端子的信号输 入，和连接参考电压的参考输入；
[0025] -电压比较器具有：
[0026] -信号输入，其连接至电容器的其中一个端子，W及
[0027] -参考输入，其连接至参考开关，所述参考开关配置为用于将所述参考输入选择性 地连接至至少两个参考电压；
[0028] -瞬态检测器电路包括:具有两个通过跟随器缓冲器分开的电容性反馈的单端反 相共源级的放大器，其中，第一电容器借助于感光器信号来进行充电，并且至少一个阔值检 测器布置为检测在另一个电容器上的电压是否超过阔值；
[0029] -前端电路包括连接至单个二极管的感光器电路，所述感光器电路包括：
[0030] -输出，其用于传送从所述单个光电二极管的曝光中获得的感光器信号，
[0031] -第一感光器晶体管，其具有漏极和栅极，所述第一感光器晶体管的栅极连接至所 述输出，
[0032] -附加的感光器晶体管，其具有漏极、源极和栅极，所述附加的感光器晶体管的源 极连接至所述单个光电二极管，W及其中，所述第一感光器晶体管和所述附加的感光器具 有公共源极；
[0033] -附加的感光器晶体管的栅极通过偏置电压来进行偏置，或者连接至第一感光器 晶体管和附加的感光器晶体管的公共源极；
[0034] -前端电路进一步包括增益级，其用于放大在前端电路的输出上传送的感光器信 号，所述增益级包括：
[0035] -输入，其连接至感光器电路的输出，
[0036] -输出，
[0037] -第一增益晶体管，其具有漏极、源极和栅极，第一增益晶体管的栅极连接至增益 级的输入，第一增益晶体管的源极连接至偏置电压，W及所述第一增益晶体管的漏极连接 至所述增益级的输出，W及
[0038] -串联的多个增益晶体管，串联的每个增益晶体管具有漏极、源极和栅极，串联的 每个增益晶体管的漏极连接至其栅极，并且所述串联的多个漏极晶体管中的一个的漏极连 接至第一增益晶体管的漏极。
[0039] 本发明还设及一种图像传感器，其包括多个根据本发明的可能实施方案的像素电 路。
[0040] 本发明还设及一种用于操作根据本发明的一个可能实施方案的像素电路的方法， 其中，通过瞬态检测器电路来检测从在所述光电二极管处的入射光的强度所获得的感光器 信号的变化，而开启借助于曝光测量电路的光电二极管的曝光测量循环。
[0041] 其他优选地，尽管是非限制性的，但是单独的或者在技术上可行的组合的像素电 路的方面如下：
[0042] -借助于曝光测量电路的光电二极管的曝光测量循环还能够通过外部施加的控制 信号来开启，所述外部施加的控制