一种像素单元、图像传感器以及相机的制作方法

本发明涉及图像处理技术领域，特别是涉及一种像素单元、图像传感器和相机。

背景技术

图像传感器是一种记录光线强度的传感器。目前最常用的cmos图像传感器通过像素将光信号转换为电信号，并以数字形式进行输出和存储，即拍摄得到照片。目前几乎所有的图像传感器都是以一帧一帧拍摄的方式进行图像获取，后期的图像处理同样对一帧一帧的数据进行处理和分析。在动态目标捕获应用中，图像传感器需要以高帧率快速拍摄，拍摄后的数据送到处理器中进行数据处理。为了能够快速捕获动态目标，同时避免运动目标移动过程中产生的模糊，图像传感器的帧率要求很高。高帧率同样带来了高数据量，传输和处理的压力随之增大。在小型化、低功耗等应用中，将严重限制拍摄速率和处理速度，从而无法实现快速的目标捕获。

传统的图像传感器成像方案通常使用8bit～12bit来表示一个像素的输出结果，而这些数据再图像处理过程中将被大量精简。这样的操作浪费了数据传输带宽资源和处理资源，导致目标获取速度无法达到很高的帧率。

综上所述可以看出，如何减少图像传感器中一个像素单元输出结果所占位数是目前有待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种像素单元、图像传感器以及相机，以解决现有技术中图像传感器成像方案通过使用8bit～12bit来表示一个像素的输出结果，导致在采集动态目标图像时产生大数据量，造成数据传输带宽资源和处理资源浪费的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种像素单元，包括：

采样电路，曝光电路，阈值判断电路；

其中，所述采样电路用于获取采集到的动态目标的光信号对应的模拟电压；

所述曝光电路用于获取所述动态目标在第k帧的模拟电压与第k-1帧的模拟电压的差值；

所述阈值判断电路用于将所述差值与预设电压阈值进行比较，以便根据比较结果判定像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号是否发生变化，并利用预设位数的数据编码所述像素单元在所述第k帧的动态事件信号；其中，所述预设位数小于八位。

优选地，所述采样电路包括：

光电转换器，运算放大器，电容；

所述光电转换器的输出端与所述电容的左极板连接，所述电容的右极板与所述运算放大器的负输入端连接；

所述运算放大器用于将所述光电转换器输出的所述k-1帧的模拟电压采样在所述电容的左极板上。

优选地，所述曝光电路包括：

所述光电转换器，所述电容；

所述电容的右极板处于浮空状态，所述光电转换器用于输出复位后的电压值，所述电压值上升至最大电压后，再随着第k帧的曝光时间下降；

所述电容的右极板用于获取所述第k帧输出的模拟电压与第k-1帧输出的模拟电压的差值。

优选地，所述阈值判断电路包括：

比较器、模拟多路选择器；

所述模拟多路选择器的输出与所述比较器的正输入端相连接；

所述比较器的负输入端用于输入所述第k帧输出的模拟电压与第k-1帧输出的模拟电压的差值；

所述模拟多路选择器用于向所述比较器的正输入端输入所述预设电压阈值；

所述比较器的输出端用于输出所述差值与预设电压阈值进行比较结果。

优选地，所述阈值判断电路还包括数字缓冲器，所述数字缓冲器用于对所述比较结果进行整形和缓冲。

优选地，所述运算放大器和所述比较器为同一运算放大器a1；

所述运算放大器a1的负输入端与输出端中间连接一个运算放大器采样开关；当所述运算放大器采样开关闭合时，所述运算放大器a1作为运算放大器工作；当所述运算放大器采样开关断开时，所述运算放大器a1作为比较器工作。

优选地，所述预设位数为二时，阈值判断电路包括on读出电路和off读出电路；

其中，所述on读出电路，用于将所述差值与预设on阈值进行比较，若所述差值小于所述预设on阈值，则判定像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强增大，输出11作为所述像素单元在第k帧的动态事件信号；

所述off读出电路，用于当所述差值大于所述预设on阈值时，判断所述差值是否小于预设off阈值；

若所述差值小于所述预设off阈值，则判定像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强未发生变化，输出01作为所述像素单元在第k帧的动态事件信号；

若所述差值大于所述预设off阈值，则判定所述像素单元在第k帧的光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强减小，输出00作为所述像素单元在第k帧的动态事件信号。

本发明还提供了一种图像传感器，包括：像素阵列，芯片控制电路和读出电路；

其中，所述像素阵列包括m×n个上述所述的像素单元；所述像素阵列用于将动态目标第k帧光信号转换为第k帧的动态事件信号；所述读出电路用于读取所述像素阵列输出的动态事件信号，得到所述动态目标在第k帧的目标图像；所述芯片控制电路用于控制所述各个像素单元和所述读出电路的工作。

优选地，所述读出电路包括n条数据总线；所述像素阵列中的每列像素单元共用一条数据总线；一列上的各个像素单元分别通过一个选通开关与数据总线连接。

本发明还提供了一种相机，包括上述所述的图像传感器。

本发明所提供的像素单元，包括采样电路，曝光电路和阈值判断电路。所述采样电路用于获取采集到的动态目标的光信号对应模拟电压。所述曝光电路用于获取所述动态目标在第k帧的模拟电压和在第k-1帧的模拟电压的差值。比较所述差值与预设电压阈值，根据比较结果判断像素单元在第k帧采集到的光信号的光强相对所述第k-1帧采集到的光，利用预设位数的数据数据编码所述像素单元在第k帧的动态事件信号。且本发明所提供的像素单元，集成帧间运动判断机制，将前后帧的曝光信号在像素内进行比较，判断在该像素单元内k-1帧至k帧内对应的目标场景内容是否发生了变化，并利动态事件信号表征这以变化。由于动态事件信号是用小于八位的数据进行编码的，在本发明所提供的像素单元内，将采集到的动态目标的光信号转换为动态事件信号，相对于现有技术中，将所述动态目标的光信号转换为8位至12位的数字信号，像素单元输出结果的数据量减少，增加了数据传输的速率，提高了后续数据处理的效率，减少了对图像处理过程中数据传输资源和处理资源的占用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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为本发明所提供的像素单元的第一种具体实施例的结构框图；

图2为本发明所提供的像素单元的第二种具体实施例的结构图；

图3为本发明所提供的像素单元的工作时序图；

图4为本发明实施例提供的一种图像传感器的结构框图；

图5为本发明所提供的图像传感器的工作时序图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种像素单元，减少了输出结果的数据量，从而提高了数据处理的效率和数据传输的速率。本发明还提供了一种图像传感器和相机，具有上述有益效果。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

请参考图1，图1为本发明所提供的像素单元的第一种具体实施例的结构框图。本实施例所提供的像素单元包括：采样电路11，曝光电路12、阈值判断电路13；所述采样电路11用于获取采集到的动态目标的光信号对应的模拟电压。所述曝光电路12用于获取所述动态目标在第k帧的模拟电压与第k-1帧的模拟电压的差值。所述阈值判断电路13用于将所述差值与预设电压阈值进行比较，以便根据比较结果判定像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号是否发生变化，并利用预设位数的数据编码所述像素单元在所述第k帧的动态事件信号；其中，所述预设位数小于八位。

在本实施例中，所述采样电路11可以包括：光电转换器，运算放大器，电容；所述光电转换器的输出端与所述电容的左极板连接，所述电容的右极板与所述运算放大器的负输入端连接；所述运算放大器用于将所述光电转换器输出的所述k-1帧的模拟电压采样在所述电容的左极板上。

在本实施例中，所述光电转换器可以为光电二极管，也可以其他光电元件。

在所述曝光电路中，利用所述采样电路中的光电转换器和电容完成所述k-1帧模拟电压和所述k帧模拟电压的获取。在曝光电路中，所述电容的右极板处于浮空状态。所述光电转换器将所述k-1帧的模拟电压输入至所述电容的左极板后，首先复位。所述光电转换器输出的电压值上升至最高电压值后，随第k帧的曝光时间下降，从而在所述电容的右及板上获取所述第k帧的模拟电压和所述第k-1帧的模拟电压的差值，即第k帧的曝光信号。

所述阈值判断电路13包括比较器、模拟多路选择器。所述模拟多路选择器的输出与所述比较器的正输入端相连接；所述比较器的负输入端与所述曝光电路中电容的右极板连接，用于输入所述第k帧输出的模拟电压与第k-1帧输出的模拟电压的差值。

所述模拟多路选择器用于向所述比较器的正输入端输入所述预设电压阈值；从而将所述差值与所述预设电压阈值进行比较，根据所述结果判断所述像素单元第k帧内的目标场景到第k-i帧内的目标场景是否发生变化。所述比较器的输出端用于输出所述差值与预设电压阈值进行比较结果。利用小于八位的预设位数，对结果进行编码后，输出动态事件信号。

在所述阈值判断电路中，还可以包括数据缓冲器，用于对所述比较结果进行整形和缓冲。

本实施例所提供的像素单元，集成光电转换器、比较器、运算放大器、电容等元件，将k-1帧和k帧的积分信号之差进行判断，将判断结果以小于八位的数据输出，作为所述像素单元的动态事件信号。所述像素单元的输出结果的数据量减少，从而增加了数据传输的速率，提高了后续数据处理的效率，减少了对图像处理过程中数据传输资源和处理资源的占用。

基于上述实施例，在本实施例中，将所述运算放大器和所述比较器均用同一个运算放大器a1进行工作，在所述运算放大器a1的负输入端和所述运算放大器a1的输出端连接一个运算放大器采样开关。当所述运算放大器采样开关闭合时，所述运算放大器a1作为运算放大器工作；当所述运算放大器采样开关断开时，所述运算放大器a1作为比较器工作。请参考图2，图2为本发明所提供的像素单元的第二种具体实施例的结构图。

本实施例所提供的像素单元包括：像素光电二极管，电容cs，运算放大器a1，运算放大器采样开关sws，数字缓冲器b1，模拟多路选择器mux(三选一)以及选通开关swsel。所述光电转换器输入动态目标的光信号；所述光电转换器输出的模拟电压连接到电容cs的上极板，所述电容cs的下极板连接到所述运算放大器a1的负输入端。所述运算放大器采样开关sws跨接在所述运算放大器a1负输入端和输出端之间。所述模拟多路选择器mux的三个输入分别是vref、vref_on、vref_off，根据工作需求输出到所述运算放大器a1的正向输入端。所述运算放大器a1的输出端连接数字缓冲器b1的输入端。所述选通开关swsel连接b1的输出端以及图像传感器的数据读出总线。

在本实施例中，通过所述预设on阈值vref_on判断像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强是否减小。通过预设off阈值判断像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强是否增大。

利用2bit的数据表示编码所述动态事件信息时。以低电平0表示所述差值小于所述预设on阈值/off阈值；以高电平1表示所述差值小于所述预设on阈值/off阈值。利用2bit数据表所示所述像素单元的动态事件信号时，所述阈值判断电路13包括：on读出电路和off读出电路。

所述on读出电路，用于将所述差值与预设on阈值进行比较，若所述差值小于所述预设on阈值，则判定像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强增强，输出11作为所述像素单元在第k帧的动态事件信号；

所述off读出电路，用于当所述差值大于所述预设on阈值时，判断所述差值是否小于预设off阈值；若所述差值小于所述预设off阈值，则判定像素单元在第k帧采集到光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强未发生变化，输出01作为所述像素单元在第k帧的动态事件信号；若所述差值大于所述预设off阈值，则判定所述像素单元在第k帧的光信号相对所述第k-1帧的光信号，光强减小，输出00作为所述像素单元在第k帧的动态事件信号。所述预设on阈值小于所述off阈值。所述第一预设阈值大于所述预设on阈值小于所述预设off阈值。

在本实施例中，以获取所述像素单元第k帧的动态事件信号信息为例，对所示像素单元的工作原理进行解释说明。所述像素单元的一个工作周期包括四个阶段：采样阶段，曝光阶段，on读出阶段和off读出阶段。

在所述第k-1帧的采样阶段，mux输出第一预设阈值电压vref，所述运算放大器采样开关sws闭合，在所述运算放大器a1的作用下，所述像素光电二极管输出第k-1帧的模拟电压(vph_sig_k-1)采样在了所述电容cs的左极板，所述电压cs右极板为vref电压，b1输出默认的低电平。

在所述第k帧的曝光阶段，mux输出vref，所述运算放大器的采样开关sws断开，所述像素光电二极管首先复位，输出的电压值vph上升到较高电压vph_rst，复位后电压值vph随着曝光时间下降，所述电压值vph下降的幅度与光强成正比。在此模式下，由于所述运算放大器采样开关sws断开，所述运算放大器a1作为比较器工作。且当vph从vph_rst下降到(vph_sig_k-1)之后，比较器发生反转。

在所述第k帧的on读出阶段，所述运算放大器采样开关sws保持断开，mux输出所述预设on阈值vref_on。vref_on电压比vref低了vthon，因此比较器的判断阈值也变化了vthon，因此vph变化到(vph_sig_k-1)-vthon之后，比较器才会翻转，即所述第k-1帧的光信号光强比所述第k帧的光强增大到一定状态时，才会产生on数据输出。在所述第k帧的off读出阶段，所述运算放大器采样开关sws保持断开，mux输出所述预设off阈值vref_off，vref_off电压比vref高了vthon，因此比较器的判断阈值也变化了vthoff，因此vph变化到(vph_sig_k-1)+vthoff之后，比较器会发生翻转。那么如果on读出和off读出阶段都发生翻转，即光强发生了明显的增大，认为触发了on事件，输出11作为像素单元在k-1帧时的动态事件信号。如果on读出阶段未翻转，off读出阶段翻转，即光强变化范围不大，未触发任何事件，输出01作为像素单元在k-1帧时的动态事件信号。如果on读出阶段和off读出阶段均为发生翻转，则光强明显变小，触发off事件，输出00作为像素单元在k-1帧时的动态事件信号。

在所述第k帧的采样阶段，mux输出vref，所述运算放大器采样开关sws闭合，在所述运算放大器a1的作用下，像素光电二极管的输出模拟电压(vph_sig_k)采样在了电容cs的左极板，cs右极板为vref电压，b1输出默认的低电平，本实施例所提供的像素单元依据上述工作时序进行工作，如图3所示。

请参考图4，图4为本发明实施例提供的一种图像传感器的结构框图。本实施例所提供的图像传感器包括：像素阵列，芯片控制电路和读出电路；其中，所述像素阵列包括m×n个如上所述的像素单元；所述像素阵列用于将动态目标第k帧光信号转换为第k帧的动态事件信号；所述读出电路用于读取所述像素阵列输出的动态事件信号，得到所述动态目标在第k帧的目标图像；所述芯片控制电路用于控制所述各个像素单元和所述读出电路的工作。

在本实施例所提供的图像传感器中，每列像素单元共用一条数据总线，一共n条数据总线。其余光电转换、mux选择、开关控制等信号全部为行级共用，一共m套控制信号。所述读出电路将n条数据再总线上的数据采集下来之后，经过并串转换，进行数据的高速串行输出，从而得到所述动态目标的图像。所述芯片控制电路具体用于控制芯片全局的工作，提供包括m套像素曝光、读出、复位、读出以及读出电路和数据输出的时序信号。

如图5所示，所述芯片控制电路控制所述像素阵列采用滚筒式读出方式进行阵列信号的读出。在所述像素单元的读出周期中，on读出阶段和off读出阶段统称为读出阶段，采样和曝光阶段统称为采样曝光阶段。那么对于一个像素单元来说读出阶段要占用数据总线，像素阵列采用列级并行总线，则是一行像素单元同时进行读出，这一行读出结束之后，总线解除占用，下一行像素再进行读出。具体工作流程如；第k-1行像素在读出阶段时，列总线被第k-1行像素占用，依次输出on数据和off数据。第k-1行像素输出结束，进入到采样曝光阶段，此时第k行像素进入读出阶段，列总线被第k-1行像素占用，依次输出第k行的on数据和off数据。按此时序依次进行所有行像素的输出。每行的on数据和off数据再读出电路中进行读出，并进行并串转换后，以高速串行的方式依次将该行的像素输出到芯片外。

本实施例所提供的图像传感器将传统传感器捕获到的相邻两帧的信息在像素内进行比较，当光强变大或变小到一定程度触发该像素的on/off事件，这样可以用更少的数据量获得运动目标的图像信息，避免了大量数据的传输和处理负荷。

本实施例所提供的图像传感器相对于现有技术中的图像传感器，输出图像的数据量更低，本实施例所提供的图像传感器中的每个像素单元输出信号可以为2bit数据，1biton数据，1bitoff数据，比传统图像传感器的输出数据量减少了70％～90％。且本实施例所提供的图像传感器本身输出的数据就是已经进行了帧间动态数据处理的数据，相当于已经完成了初级的动态目标捕获操作，基于此数据的后续处理可以更加快速。本实施例所提供的图像传感器传输和处理的数据量降低有效降低整体系统的硬件性能要求，可以实现小型化、低功耗的系统集成。

本发明具体实施例还提供了一种相机，包括：上述所述的图像传感器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的像素单元、图像传感器和相机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。