CN101204079A

CN101204079A - 用于检测与时间相关的图像数据的光敏元件阵列

Info

Publication number: CN101204079A
Application number: CNA2006800194956A
Authority: CN
Inventors: P·利克特斯坦纳; T·德尔布鲁克
Original assignee: Universitaet Zuerich
Current assignee: Universitaet Zuerich
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2026-05-29
Also published as: KR101331982B1; SG162756A1; JP5244587B2; JP2009508085A; EP1958433B1; EP1958433A1; US7728269B2; CA2609623C; US20080135731A1; CA2609623A1; KR20080026569A; WO2006128315A1; CN101204079B

Abstract

光敏元件阵列包括单元(10)的一维或两维阵列，其中各单元(10)具有光敏器件(D，T1－T4)，依赖于所在单元(10)上的光强生成传感器信号；第一电容器(C1)，由电流的时间导数控制；至少一个阈值检测器(T9－Til；T12－T14)，检测第一电容器(C1)上的电压是否超过阈值，如果超过则生成输出信号；和放电装置(T7)，用于在所述输出信号出现以后给第一电容器放电。这样一个单元只有当进入的光强变化时才产生事件，从而减少了来自光敏元件阵列的需处理的数据量。

Description

用于检测与时间相关的图像数据的光敏元件阵列

技术领域

本发明涉及一种光敏元件阵列，例如感光元件的阵列，用于检测与时间相关的图像数据，其包括一个单元阵列，各单元具有依赖于所在单元的光强度产生信号的光敏器件。

背景技术

利用光敏元件阵列的实时人造影像，比如在US2003/0015647中公开的，传统上受制于对阵列取样的帧频。在另一方面，这样的光敏元件阵列产生巨大数量的冗余数据，这些数据需要强大和昂贵的后处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过提供更适合实时人造影像的光敏元件阵列。这个问题由权利要求1中的光敏元件阵列所解决。

因此，本发明中的所述光敏元件阵列包括单元的拓扑学的一维或多维阵列，该阵列可能具有或不具有矩形的边界，其中每一个单元都具有根据该单元上的光强而生成传感器信号的光传感器，由与所述传感器信号的时间导数成比例的电流充电的第一电容器，至少一个阈值检测器，其检测所述第一电容器上的电压是否超过阈值并且如果超过，则生成输出信号，和放电装置，其用于在所述输出信号出现以后给所述第一电容器放电。

换句话说，给第一电容器充电(或放电)到给定电荷(由所述阈值定义)产生了输出信号形式的事件。这种数字化方法尤其适用于光敏元件阵列，因为它允许以非常简单的方式减少在其源头也就是所述单元上的数据量。阵列范围外的数据通信仅仅在进入的光强变化时发生。因此要处理的数据量急剧减少，并且光敏元件阵列可以用比传统装置更高的速率传送信息。

所述放电装置用于在事件后对所述电容器复位。

光敏元件阵列可以更进一步包括从所有所述单元收集输出信号的信号收集器。

有利的，在从给定单元接收到输出信号时，所述信号收集器控制所述给定单元的复位信号产生器以产生用于给所述第一电容器放电的复位信号。这允许所述信号收集器控制所述单元的启动率。

每个单元可以更进一步地包含与第一电容器串联的第二电容器。所述第一电容器置于反相放大器的输入端和输出端之间，而第二电容器置于所述光传感器和所述放大器的输入端之间。这两个电容器和所述放大器构成一个开关电容放大器。有利的，第二电容器比第一个电容器大(例如十倍那么大)，这允许达到高放大器增益。因为所述电容器容量之间的比率限定了所述放大器的闭环增益，并且因为电容器可以高精确度的制造在一块芯片上，所以即使所述单元中其他元件的性能由于制造过程中容许的误差而不一致，该技术仍允许光敏元件阵列的所有单元具有非常相似的响应。

有利的，来自光传感器的所述信号与输入给定单元的光强的对数成正比，这允许信号的检测在一个宽的动态范围内进行，另外，去掉了对绝对照明的依赖。

附图说明

当考虑到其中的独立权利要求或随后的详细说明时，本发明将被更好的理解并且上述以外的目的将变得明显。这样的描述引用了附图，其中：

图1是根据本发明中光敏元件阵列的单个单元的电路图，

图2是图1中部分光敏元件阵列的电路框图，和

图3是图1的单元中的一些信号的时序图。

具体实施方式

如上所述，本发明中所述光敏元件阵列包括多个单元，有利的是它们是相同的，每个单元具有生成传感器信号的光传感器和处理所述传感器信号的电路。

图1中示出了这样一个单元的可能的实施方式。

在所述单元的输入侧，它包括光电二极管D，用于生成与进入的光强度I成比例的光电流。

所述光传感器更进一步地包括四个晶体管T1，T2，T3和T4，这些晶体管构成具有基本上是对数响应的放大器，并生成具有在点P1与log(I)线性相关的电压的传感器信号，即电压V在P1点是V＝const+k·log(I)，其中k和const为恒定值。相似的电路例如由US5376813公知，其内容在本文通过引用合并。

所述反馈设置由于主动箝位在虚拟地面处的光电二极管电压而具有加速所述电路的响应时间的优点，因此光电流的改变只需要对所述光电二极管电容少量充电或放电。

在图1的实施例中，经过所有单元的光电二极管D的电流在电流加法器1中相加，并且与该总和的对数成比例的电压被反馈到晶体管T3的栅极，这使得放大器在低强度时的功耗降低。本技术在US2004/0067876中描述，其内容在本文通过引用合并。

来自P1点的电压被反馈到与具有相同极性的晶体管T5b串联的晶体管T5a的栅极。晶体管T5b的栅极电压是固定电位。晶体管T5a和T5b构成了近单位增益的源极从动电压缓冲器。在晶体管之间的输出端P2的电压也与log(I)线性相关。所述电压缓冲器的目的是隔离这两级，由此减少反馈和可能的不稳定。

来自输出端P2的电压被反馈到由两个串联的晶体管T6和T8、第一电容器C1、第二电容器C2和晶体管T7形成的开关电容放大器。晶体管T7担当用于使第一电容器C1放电的放电装置。晶体管T6是反相放大器，其中放大器输出端P3位于晶体管T6和T8之间。第一电容器C1布置在放大器输出端P3和该反相放大器的输入端(即晶体管T6的栅极)之间，那就是说所述放大器将通过调整第一电容器C1上的电压来尽力保持在晶体管T6的栅极上的电压恒定。在第二晶体管T8的栅极上的电压处于给定的、固定电位“diff”。晶体管T8降低放大器输入端晶体管T6的偏置电流。它还部分地决定该放大器的输出电阻。由T6和T8组成的反相放大器被设计成具有基本上大于电容器值的比率C2/C1的电压增益。

开关电容放大器的运行如下：将电容器C1经过晶体管开关T7短路到输出端点P3以使电容器C1放电，在通过给电容器C1放电来对放大器复位之后，放大器输出端P3上的电压等于晶体管T6的栅极上的电压。该电压是由晶体管T8降低的偏置电流决定的。使晶体管开关T7截止(断开该开关)将开关电容放大器置于有源放大的状态。如果由T8和T9组成的反相放大器具有基本上比电容器比率C2/C1大的开环增益，那么该开关电容放大器的闭环增益是由比率C2/C1给定的，由于上述的原因，所述比率被有利的设置为相当高的值，例如C2/C1＝10。然后来自P3到晶体管T6的栅极的反馈保持所述T6的栅极接近恒定的电压一虚拟接地。因此流到电容器C2上的电流还必须流出电容器C1。该电流与P2上的电压变化率成比例，即与d(log(I))/dt成比例。输出端P3上的电压与输入端P2上的变化乘以闭环增益C2/C1成比例。

放大器输出端P3的电压被反馈到两个阈值检测器。这两个阈值检测器的第一个由包括晶体管T9的第一晶体管组和包括两个并联布置的晶体管T10、T11的第二晶体管组构成。第一晶体管组中的晶体管T9具有与晶体管T6一样的极性、几何结构和大小。第二晶体管组中的晶体管T10、T11具有与晶体管T8一样的极性、几何结构和大小，并且它们是并联的，即它们的漏极、源极和栅极是相互连接的。晶体管T9的漏极-源极通道与晶体管T10和T11的漏极-源极通道串联。晶体管T10和T11的栅极连接到固定电位“开”，其基本上等于电位“diff”。第一阈值检测器的输出“开”由两个晶体管组T9和T10、T11之间的点P4形成。

为了具体说明，我们将考虑电位“diff”、“开”、和“关”是相同的情况，虽然很明显他们的相对值决定实际的阈值。

第一阈值检测器如下工作：将第一电容器C1放电之后，放大器输出端P3和因此晶体管T9的栅极电压与晶体管T6的栅极处于相同电位。由于并联的晶体管T10、T11能够降低两倍于单个晶体管T8的电流，所以电压“开”近似于接地电压并且晶体管T9是饱和的。

当P2点的电压上升时，电容器C1和C2被充电，并且放大器输出端P3的电压下降。一旦放大器输出端P3的电压低于给定的下阈值电压，那么晶体管T9变为能比晶体管T10和T11获得更多的电流，并且晶体管T10和T11变饱和以及P4点的电压上升到接近正电源电压，那就是说输出信号“开”变为逻辑1。如下所述，输出信号“开”被反馈到信号收集器，该信号收集器最终在晶体管T7的栅极上产生复位信号用于给第一电容器C1放电。放大器输出P3上的电压回到其原始值并且输出信号“开”回到0。所述周期可以重新再开始。

象第一阈值检测器一样，第二阈值检测器包括两个晶体管组。然而，这样的话，第一晶体管组包括两个并联晶体管T12、T13，而第二晶体管组包括一个晶体管T14。晶体管T12、T13与晶体管T6极性、尺寸以及几何结构相同，而晶体管T14是与晶体管T8极性、尺寸以及几何结构相同。第二阈值检测器的输出“关”由在晶体管组T12、T13以及晶体管组T14之间的点P5形成。

第二阈值检测器的运行类似于第一阈值检测器的运行。然而在电容器C1放电之后，晶体管T14将饱和并且信号“关”将要成为逻辑1。当点P2上的电压开始下降时，放大器输出端P3上的电压开始根据电容器C1上的电荷积累而相应的增大，直到达到给定的上阈值电压，而晶体管T12以及T13变饱和，点P5上的电压开始下降并且输出信号“关”达到逻辑0。输出信号“关”再一次被反馈到信号收集器，该信号收集器将最终在晶体管T7的棚极上产生复位信号用于使第一电容器C1放电。

优选的实施方式使用由两个并联的晶体管组成的晶体管组T10、T11和T12、T13，是因为利用“单位晶体管”带来比过程变化更好控制的阈值，以及允许使用通常相等的控制信号“diff”、“开”、“关”。然而，应当清楚只要“开”、“关”是可控制的，那么这些晶体管组就可以各自被一个晶体管替代。

根据以上所述，明显的是图1所述的电路产生两个输出信号“开”和“关”。信号“开”是在第一电容器C1上的电压上升超过给定的第一、正阈值时发送的，而信号“关”是当第一电容器C1上的电压下降到低于给定的第二、负阈值时发送的。一旦输出信号“开”或者“关”被发送，那么可以通过向晶体管转换器T7发送复位信号来使电路被复位。

下文中，通过引用图2来描述所述光敏元件阵列中的图1所示单元的运行。

单元10可以被布置为一维或者二维阵列。图2显示了具有二维阵列的实施例，其中单元10按照行和列布置。为简单起见，只有一个单元10在图2中示出——所有的其它单元都按同样的方式布置，每一个都在行与列的交叉点上。

可以看出，在i行j列的单元10的输出信号“开”和“关”被提供给两个晶体管T20a，T20b(在借助于反相器将输出信号“关”反相之后，从而考虑第二阈值检测器产生的信号的负极性)，并且他们是“线或”到行信号线I上。事实上，给定行i的所有单元上的输出信号是“线或”到相同行信号线i的。当每一行中没有单元将行线拉低的时候，每一行的上拉装置将该行线拉高。在所述行信号线上的信号被称作“行信号”。

所有行信号线被馈送到行判别器14，该行判别器构成光敏元件阵列的信号收集器的一部分。一旦行判别器14在给定的行信号线i上收到行信号并且没有未决的其它行信号，该行判别器在同属于行i的行确认线i上发布一个行确认信号。正如下文所述，所述行确认信号仅在行判别器14确定光敏元件阵列准备好处理下一事件时才发布。

行确认信号被提供给属于给定行i的每个单元的两个与门电路16、18。第一与门电路16将行确认信号和翻转的“关”输出信号求与，并且第二与门电路18将行确认信号与输出信号“开”求与。因此，只有在单元当前正在发送行信号并接收到行确认信号时，与门电路16、18才产生信号。来自与门电路16、18的信号经过晶体管T21、T22馈送到属于列j的列信号OFF线j和列信号ON线j上，其再一次允许“线或”给定列的所有列信号。

所有的列信号OFF线与列信号ON线输入到列判别器20，该列判别器构成光敏元件阵列的信号收集器的一部分。一旦列判别器20在给定的列信号ON线j或者列信号OFF线j上收到列信号，它就在同属于列j的列确认ON线j或者列确认OFF线j上分别发出一个列确认信号。正如下文所述，该列确认信号仅在列判别器20知道光敏元件阵列准备好处理下一事件时才发出。

来自列确认OFF线和列确认ON线的信号被传送到或门电路22以在公共的列确认线j上产生列确认信号。在每个单元中，来自对应的行和列的行确认线和列确认线的信号被馈送到与门电路24，并且从此处馈送到脉冲发生器26以产生要被发送到晶体管T7的复位信号。

因此，一旦所述行和列判别器都在对应单元的行和列确认线上产生行和列确认信号，第一电容器C1就被放电。第一电容器C1放电将迫使单元10的输出信号“开”和“关”变为他们的禁止状态。

脉冲发生器26产生具有可控制持续时间的脉冲，称作不应期。在不应期，开关电容放大器被保持在复位。不应期的可控性的目的是限制各单元的输出信号“开”和“关”的启动率，从而在故障或者非常快速改变输入信号的情况下，防止单个单元使信号收集器过载。

光敏元件阵列的信号收集器进一步包括编码器28，其具有连接到所有行确认线以及光敏元件阵列的所有列确认OFF线和列确认ON线的输入端r和c。一旦行判别器14和列判别器20都确认来自给定单元的事件，那么编码器28可以根据所述行和列确认线的状态确定该单元的地址，因为只有属于所述给定单元的那些行和列确认线才会在他们的激活状态下。编码器28还可以确定所述产生事件的信号是“开”或者“关”信号。对应的地址和状态(开或者关)信息作为“事件”被发送到缓冲器30以便被外部接收器访问。在所述事件已经从缓冲器30中被收集后，缓冲器30告诉行判别器14和列判别器20它已经准备好存储下一事件。列判别器20使它的列确认信号下降并且行判别器14准备好确认下一个行信号。

正如从上文中可以看出的，所述光敏元件阵列可以从它的所有像素中产生开和关事件。这些事件的速率取决于光信号的变化率。利用针对每一个像素的所述开和关事件，就可以重建在给定像素上的输入信号。这在图3中示出，其中上部的图显示输入信号I，它的时间导数d/dt和第一个电容器C1上的电压，其中所述开和关事件是通过循环来表示的。图3的下部显示所述输入信号和重构的输入信号，后者是通过在各“开”事件上加上给定强度和在各“关”事件上减去相同的强度来计算的。

至此在所述的实施例中，每一行有一条行信号线并且每一列有两个列信号线。两个列信号线是用于编码所述信号的极性(开或者关)所需要的。可替换地，可以存在两条行信号线来用于编码所述极性和仅仅一条列信号线。

类似地，如果只有“开”或者“关”输出信号而不是两者通过光敏元件信号收集器收集，那么每行将只需要一条行信号线并且每一列将只需要一条列信号线。然而，在那种情况下，必须采用其它措施用以在生成不发送到判别器的信号之后生成使电容器C1放电的复位信号。例如，如果只有“开”输出信号被传送给判别器，那么“关”输出信号可以被直接地或者局部地反馈到晶体管T7以复位所述单元。

尽管当前展示和介绍了本发明的优选的实施例，但是我们可以清楚的理解本发明并不仅仅局限在此而是可以在权利要求的范围内具有多样的实施例和实践方式。

Claims

1.一种用于检测与时间有关的图象数据的光敏元件阵列，包括单元阵列(10)，每一个单元(10)包括

光传感器(D，T1-T4)，在所述单元(10)中生成依赖于光强度的传感器信号，第一电容器(C1)，由与所述传感器信号的时间导数成比例的电流进行充电，至少一个阈值检测器(T9-T11，T12-T14)，检测所述第一电容器(C1)上的电压是否超过阈值，并且如果超过阈值则生成输出信号(开，关)，及

放电装置(T7)，用于在所述输出信号(开，关)发生之后对所述第一电容器(C1)放电。

2.如权利要求1所述的光敏元件阵列，其中每个单元(10)进一步包括串联到所述第一电容器(C1)的第二电容器(C2)，其中所述第一电容器(C1)布置在反相放大器(T6)的输入端和输出端之间，并且所述第二电容器(C2)布置在所述光传感器(D，T1-T4)和所述输入端之间。

3.如权利要求2所述的光敏元件阵列，其中所述第二电容器(C2)远大于所述第一个电容器(C1)。

4.如权利要求2或3所述的光敏元件阵列，其中所述反相放大器(T6)由第一晶体管(T6)形成，所述第一电容器(C1)布置在放大器输出端(P3)和所述第一晶体管(T6)的栅极之间，其中所述第一晶体管(T6)的漏极-源极通道串联到反向极性的第二晶体管(T8)，其中在第二晶体管(T8)的栅极上施加一特定电位。

5.如权利要求4所述的光敏元件阵列，

其中所述阈值检测器(T9-T11，T12-T14)包括彼此串联的第一晶体管组(T9；T12，T13)和第二晶体管组(T10，T11；T14)，

其中至少一个晶体管组包括至少一个晶体管(T9；T12，T13)，和其中至少一个晶体管组包括至少两个晶体管(T10，T11；T14)，

其中第一晶体管组(T9；T12，T13)的晶体管具有与第一晶体管(T6)相同的极性、几何结构和尺寸，第二晶体管组(T10，T11；T14)的晶体管具有与第二晶体管(T8)相同的极性、几何结构和尺寸，

其中放大器输出端(P3)连接到第一晶体管组(T9；T12，T14)的晶体管的栅极，和

其中所述输出信号(开，关)在所述第一和所述第二组之间的点(p4，P5)上产生。

6.如权利要求5所述的光敏元件阵列，其中在所述第二组(T10，T11；T14)的所述晶体管的栅极连接到与第二晶体管(T8)的栅极基本上相等的电压。

7.如前面任意一个权利要求所述的光敏元件阵列，其中所述单元(10)阵列是单元的(10)的二维阵列。

8.如前面任意一个权利要求所述的光敏元件阵列，进一步包括信号收集器(14，20，28，30)，其收集来自所有所述单元(10)的所述输出信号(开，关)。

9.权利要求8所述的光敏元件阵列，进一步包括复位信号发生器(24，26)，其中每个复位信号发生器(24，26)的连接是为了触发一个所述单元(10)的放电装置(T7)，

其中所述输出信号(开，关)被反馈到所述信号收集器，以及，一旦从给定单元(10)收到输出信号(开，关)，所述信号收集器控制给定单元(10)的所述复位信号发生器(24，26)触发该给定单元(10)的放电装置(T7)。

10.如权利要求9所述的光敏元件阵列，其中所述单元(10)的阵列是单元(10)的二维阵列，其中所述单元(10)按行和列布置，所述光敏元件阵列包括：

每行一或两条行信号线，其中每行的单元(10)的输出信号(开，关)作为行信号连接到所述行信号线，

行判别器(14)，连接到所述行信号线并且检测所述输出信号(开，关)，

每行一条行确认线，其中在收到行的行信号线上的输出信号(开，关)时，所述行判别器(14)在所述行确认线上产生行确认信号，

每列一或两条列信号线，其中每个单元(10)如果在其行信号线上产生行信号并在其行确认线上获得行确认信号，那么在它的列信号线上产生列信号，

列判别器(20)，连接到所述列信号线并检测所述列信号，和

每列一条列确认线，其中所述列判别器(20)在所述列的列信号线上收到列信号时产生列确认信号，

其中每个单元(10)的所述复位信号发生器(24，26)连接到该单元(10)的所述行确认线和所述列确认线，以用于在存在行确认信号和列确认信号的情况下触发所述放电装置(T7)。

11.如权利要求10所述的光敏元件阵列，进一步包括编码器(28)，该编码器连接到所述列确认信号线和行确认信号线，用于计算生成输出信号(开，关)的单元(10)的地址。

12.如权利要求10或11中的任意一个所述的光敏元件阵列，其中所述行确认线和所述列确认线分别是在所有单元(10)的行或列中传送来自所有单元(10)的信号的线或线路。

13.如前面所述的任何一个权利要求所述的光敏元件阵列，其中所述传感器信号与在所述单元(10)上的光强的对数成正比。

14.如前面所述的任何一个权利要求所述的光敏元件阵列，其中每个单元(10)包括

第一阈值检测器(T9-T11)，检测所述第一电容器(C1)上的电压是否超过第一上阈值，并且如果是则生成第一输出信号(开)，和

第二阈值检测器(T12-T14)，检测所述第一电容器(C1)上的电压是否下降至低于第二下阈值，并且如果是则生成第二输出信号(关)。