CN101300825A

CN101300825A - 图像传感器

Info

Publication number: CN101300825A
Application number: CNA2006800408067A
Authority: CN
Inventors: 史蒂文·柯林斯
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: University of Oxford science and Technology Innovation Co., Ltd.
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2026-10-04
Also published as: JP4902658B2; US8106982B2; CN101300825B; GB0522248D0; GB2432065A; US20090310003A1; EP1943831B1; WO2007051964A1; JP2009514294A; EP1943831A1

Abstract

用于电子成像装置的图像传感器包括像素检测器的阵列。每个像素检测器都包括光电传感器(2)，其被构造并配置为检测入射光并提供表示检测到的光强度的时间积分的信号。信号发生器装置(4)被构造并配置为产生根据预定函数变化的基准信号。比较器(6)具有被连接以接收光电传感器信号第一输入端(18)、被连接以接收基准信号的第二输入端(20)、以及用于提供捕获信号的输出端(22)。比较器(6)被构造并配置为在通过比较光电传感器信号和基准信号而确定的时刻产生捕获信号。读出装置(10)被构造并配置为在接收到捕获信号时捕获读出信号。该读出信号表示积分后的检测到的光强度的对数。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及一种用于电子成像装置的图像传感器，以及一种感测方法。本发明还涉及一种具有这种图像传感器的成像装置。

背景技术

用于诸如照相机的电子成像装置的图像传感器通常包括光敏像素检测器(“像素检测器”)的阵列。落在图像传感器上的光被像素检测器检测到，该像素检测器产生与落在这些检测器中的每一个上的光量相对应的输出信号。像素检测器的输出信号被数字化并被存储在包含图像信息的电子文档中。可以将图像传感器结合到用于拍摄单个图像的照相机、或摄像机、或任何其他电子成像装置中。

许多电子成像装置都使用CCD传感器，CCD传感器通过对每个像素检测器在预定时期中的光电流进行积分以得到已通过检测器的电荷的测量结果来测量入射光。用于可以结合到诸如数码照相机、移动电话和个人计算机的装置中的低成本电子成像传感器的巨大市场还刺激了单片CMOS传感器(具有优于现有CCD传感器的多个优点)的开发。然而，大多数的CMOS传感器仍使用与CCD传感器相同的感测策略：其对光电流进行积分。

对每个像素中的光电流进行积分在较均匀的照度条件下适用，其中，图像对象的照度具有较低的动态范围。然而，自然场景可能具有非常大的动态范围：例如，六十倍程。这会为利用传统积分像素的具有较低动态范围的线性输出的图像传感器带来问题。

能够利用低动态范围照相机通过使用多个积分时间然后产生合成图像来捕获高动态范围场景。然而，这必定是一个慢处理，其不适合于许多应用(例如，视频捕获)。

Stoppa等人(David Stoppa，Andrea Simoni，Lorenzo Gonzo，Massimo Gottardi以及Gian-Franco Dalla Betta：‘Novel CMOS ImageSensor with a 132-dB Dynamic Range’IEEE JSSC 37(12)1846-1852(2002))已提出了一种扩展线性像素检测器的动态范围的替代方法。为了实现动态范围的增大，在每个像素中都集成一个比较器。该比较器将像素中的电压与阈值电压进行比较。如果像素电压达到阈值，则比较器将该像素中的两个电容器与两个模拟输入电压断开，这两个模拟输入电压一起表示事件发生的时间。在积分处理的结尾，从每个像素中采样像素电压和两个时间电压。然后，将这三个模拟电压中的每一个都数字化为8比特，从而产生对该像素中的光电流进行编码的24比特信号。

由上述系统产生的每个像素的大量比特通常是试图以线性形式表示高动态范围信号的结果。在照相机的情况下，该问题通过使目标与人类视觉系统的性能相匹配来解决，这意味着照相机应该对照度1％的变化敏感。

应该认识到，对于表示高动态范围信号来说，使用对数尺度通常是好策略。在照相机的情况下，这种策略基于以下原因而有益：

(i)场景形成的物理处理意味着场景的动态范围由照度的变化控制，同时该信息包含在对象反射的图像中。由于这两个量是倍增的，因此产生对数表示是大多数处理(例如，同态滤波和色调映射)中的第一关键步骤，其目的是减少照度变化的影响，从而对象可以被识别或场景可以以低动态范围显示在装置上。

(ii)在宽范围照度下，人类视觉系统对接近1％的对比度变化敏感。用于图像的对数形式以最少的可能比特捕获该信息。例如，使用对数形式可以通过具有一千而不是一百万的动态范围的信号以线性形式来表示四十倍程中的1％的变化。动态范围的显著减小明显简化了照相机的电子学设计并减少了所产生的数据量。

这些优点表明实现高动态范围场景的成像的有利方法是使用具有对数响应的图像传感器。这在涉及在单片照相机上进行视频码率捕获的应用中尤为有用。

因此，高动态范围的对数图像传感器看来应在理论上适用于对自然场景进行成像所需的照相机系统中。然而，尽管高动态范围照相机具有巨大的潜在市场，但是对数照相机还是比较模糊并且未被开发。造成此的原因在于，和“硅视网膜”一样，现有的对数照相机使用在每个像素检测器中以亚阈操作的MOSFET来产生与每个像素检测器中的光电流的对数成比例的输出电压。尽管该电路具有适合的功能性，但是该机制具有两个主要问题。第一个问题是以亚阈操作的各个MOSFET的特性之间的大的变化。所得到的像素响应的变化(称作固定模式噪声)可以等效于光电流改变了一个量级。尽管已经提出了多种技术以通过校正固定模式噪声来提高输出图像的质量，但是还存在另一个主要问题。这就是在光电流改变一个数量级时，输出电压的改变通常小于60mV。因此，最大的输出信号改变仅为0.3V。这意味着来自像素检测器的输出信号易受时间噪声的影响。

已经提出了两种技术来增大来自对数像素的输出电压的动态范围。其中的第一种技术基于使用浮置栅极装置来代替负载晶体管(S.Collins，J.Ngole and G.F.Marshall ″A High Gain TrimmableLogarithmic CMOS Pixel″Electronics Letters，36，(21)1806(2000))。尽管该方法增大了输出电压的动态范围，但是它取决于不成熟的浮置栅极装置技术。此外，像素中的电压摆动的增加加重了已在光电流突然减少时在对数像素中观察到的慢响应时间。

要求增加对数像素的输出电压摆动的一种可替代的方法已由Lai，Lai and King(“A Novel Logarithmic Response CMOS ImageSensor With High Output Voltage Swing and In-pixel Fixed-PatternNoise Reduction”Liang-Wei Lai，Cheng-Hsiao Lai and Ya-Chin KingIEEE Sensors Journal 4(1)122-126(2004))提出。该传感器使用双极光电晶体管而不是使用其他传统对数像素中的光电二极管。尽管这种改变增加了像素的电压摆动，但是这种增加出现在响应为非对数的区域中。像素检测器特性的相近检查表明响应并不是照明强度的简单对数函数。实际上，双极晶体管将光电流放大，并以高照明强度将负载晶体管驱动为适度倒置，而不是获得对数响应所需的弱倒置。

总之，使用具有对数响应的像素来产生适于捕获高动态范围场景的图像传感器看来具有明显的优势。然而，具有这种类型响应的所有现有像素都受到固定模式噪声的影响，或者取决于未经验证的技术，或者仅提供近似对数的响应。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种减轻至少一些前述问题的图像传感器。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于电子成像装置的图像传感器，该图像传感器包括像素检测器的阵列，每个像素检测器都包括：光电传感器装置，被构造并配置为检测入射光，并具有用于表示检测到的光强度的时间积分的光电传感器信号的光电传感器输出端；信号发生器装置，被构造并配置为产生根据预定函数变化的基准信号；传感装置，具有被连接以接收光电传感器信号的第一输入端以及被连接以接收基准信号的第二输入端，传感装置被构造并配置为比较光电传感器信号和基准信号，并由该比较来确定捕获时刻；以及输出装置，被配置为在捕获时刻捕获输出信号，其中，所述输出信号表示积分后的光强度的对数。

该图像传感器能够提供表示宽动态范围的光强度在整个范围上对照度的1％变化敏感的对数输出，而不产生非常大的数据文件。该图像传感器还能够快速捕获码率并适于进行视频捕获。这还避免或减轻了现有对数传感器的许多已知问题，在其提供实际的对数响应时不会受到额外的固定模式噪声的影响，并不取决于不成熟技术的使用。该图像传感器是耐用且可靠的，并提供了优于现有传感器的显著改善的性能。

有利地，光电传感器包括电容和被配置为根据检测到的光强度来传导电流的光电传感器元件，以及所述光电传感器信号表示在通过光电传感器电流对电容充电或放电时在电容两端的电压。

有利地，该图像传感器包括向所述电容施加初始电压的复位装置，其中，随后通过所述光电传感器电流对所述电容充电或放电。

有利地，基准信号根据非线性函数变化。优选地，所述基准信号的变化率随时间而减小。有利地，基准信号V_s的形式由函数

t = \frac{CΔ V_{s}}{I_{ref}} \exp (- Δ V_{s} / S)

定义，其中，t为从积分处理开始的时间(且t＞0)，C为电容，I_ref为基准电流，ΔV_s是基准信号从其开始值到其在时间t处的值的变化，以及S为可选常数。

有利地，传感装置通过感测光电传感器信号与基准信号之间的差何时达到预定值来确定捕获时刻。例如，预定值可以为零或可以对应于晶体管开关的阈值电压。

有利地，该传感装置包括：切换装置，将光电传感器的输出端连接至输出装置，并可操作地使光电传感器的输出端与输出装置断开。

在一个实施例中，该传感装置包括：比较器，具有被连接以接收光电传感器信号的第一输入端、被连接以接收基准信号的第二输入端、和用于捕获信号的输出端；以及开关元件，具有被连接以接收光电传感器信号的第一输入端、被连接以接收捕获信号的第二输入端、和用于输出信号的输出端，比较器被构造并配置为在捕获时刻产生捕获信号，以及开关元件，被配置为将光电传感器信号连接至开关输出端，并可操作地在接收到捕获信号时使光电传感器信号与开关出口断开。有利地，比较器被构造并配置为在基准信号与光电传感器信号之间的差为零时产生捕获信号。

开关元件可以是n沟道MOSFET，其栅极连接至比较器输出端，源极被连接以接收光电传感器信号，以及漏极连接至开关输出端。可选地，通过切换比较器的输入端，可以使用p沟道MOSFET。

在另一个实施例中，图像传感器包括用于产生指引信号的装置，所述输出装置被配置为在捕获时刻捕获所述指引信号。

在另一个实施例中，传感装置包括开关元件，该开关元件被构造并配置为将光电传感器信号连接至输出装置，并可操作地在捕获时刻使光电传感器信号与输出装置断开。

开关元件可以包括晶体管开关，其栅极被连接以接收基准信号，源极被连接以接收光电传感器信号，以及漏极被连接至输出装置。优选地，晶体管开关在放电像素的情况下是p沟道MOSFET，或在充电像素的情况下是n沟道MOSFET。该晶体管开关优选地被构造并配置为在基准信号与光电传感器信号之间的差小于阈值时使光电传感器信号与输出装置断开。

该实施例的一个优点在于减少了每个像素所需的晶体管的数量。这就降低了装置的成本并能够提供更大的像素密度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在具有图像传感器的电子成像装置中感测图像的方法，图像传感器包括像素检测器的阵列，该方法包括：利用在每个像素检测器中的光电传感器来检测入射光，并提供表示检测到的光强度的时间积分的光电传感器信号；产生根据预定函数变化的基准信号；比较光电传感器信号和基准信号，并由该比较来确定捕获时刻；以及在捕获时刻捕获输出信号，其中，所述输出信号表示积分后的光强度的对数。

有利地，通过感测光电传感器信号与基准信号之间的差何时达到预定值来确定捕获时刻。

有利地，光电传感器传导取决于检测到的光强度的电流，以及所述光电传感器信号表示在通过所述光电传感器电流充电或放电的电容两端的电压。优选地，光电传感器传导与检测到的光强度成比例的电流。

该方法可以包括向电容施加初始电压，然后通过光电传感器电流使电容放电。

基准信号可以根据非线性函数而变化。优选地，所述基准信号的变化率减小。有利地，基准信号V_s的形式由函数

t = \frac{CΔ V_{s}}{I_{ref}} \exp (- Δ V_{s} / S)

有利地，该方法包括在捕获时刻捕获光电传感器信号，所述输出信号与所捕获的光电传感器信号相关。优选地，该方法包括在捕获时刻使所述输出装置与所述光电传感器信号断开。有利地，在捕获时刻产生捕获信号并在接收到捕获信号时捕获光电传感器信号。

可选地，该方法可以包括产生指引信号并在接收到捕获信号时捕获所述指引信号，所述输出信号与所捕获的指引信号相关。有利地，在捕获时刻产生捕获信号，并在接收到捕获信号时捕获指引信号。

增加任何模拟信号的抗噪性的最可靠的方法是在最早的时机增加其幅值。在像素检测器电路的上下文中，这意味着设计具有最大可能的输出信号范围的电路。此外，理想的像素电路应该能够使用双采样技术来减少像素可变性的影响和现有线性传感器中的时间噪声。这表明与具有对数响应的现有像素电路不同，理想的对数像素电路应该对光电流进行积分。将像素中的光电流积分预定的积分时间导致了线性响应。在本发明中，通过使光电流积分可变时间(如通过将光电传感器信号与根据预定函数变化的基准信号进行比较而确定的)实现了对数响应。

附图说明

下面将参照附图通过实例来描述本发明的一些实施例，在附图中：

图1是构成根据本发明的第一实施例的电子图像传感器的一部分的像素检测器的示意电路图；

图2是示出了用于图1所示类型的放电像素检测器的比较器基准电压输入的图表；

图3是示出了放电像素检测器的输出响应的图表，示出了检测器的对数响应；

图4是示出了在充电像素检测器中产生对数响应所需的比较器基准电压的图表；

图5是示出了作为光电流的函数的充电像素检测器的输出电压的图表，示出了光电流和输出电压之间的对数关系；

图6是示出了作为光电流的函数的积分停止的时间的图表；

图7是示出了像素检测器的散粒噪声信噪比的图表；

图8是构成根据本发明的第二实施例的电子图像传感器的一部分的像素检测器的示意性电路图；以及

图9是构成根据本发明的第三实施例的电子图像传感器的一部分的像素检测器的示意性电路图。

具体实施方式

用于照相机的图像传感器通常包括像素检测器的阵列。图1是构成根据本发明第一实施例的电子图像传感器中的这种阵列的一部分的像素检测器的示意性电路图。

像素检测器包括光电传感器装置2、信号发生器4、比较器6、晶体管断开开关8、读出电路形式的输出装置10、以及晶体管复位开关12。比较器6和晶体管断开开关8构成具有连接至输出装置10的输入端的出口13的传感装置。在该实施例中，晶体管断开开关8是n沟道MOSFET。

光电传感器装置2包括与电容器16并联连接的光电检测器14。所需的电容C可以如图所示由独立的电容器来提供、和/或由其他电路元件的固有电容提供。例如，此处被示为恒流源的光电检测器14可以是光电二极管或光电晶体管。光电传感器装置2在连接点17处提供由电容器电压V_C表示的光电传感器输出信号。该输出信号连接至比较器6的第一输入端18。信号发生器4连接至比较器的第二输入端20。复位开关12还通过连接点17连接至光电传感器2。

比较器6具有用于捕获信号的输出端22，输出端22连接至断开开关8的栅极以控制开关的操作。在断开开关8导通时，断开开关8将光电传感器2的输出信号V_C经由连接点17连接至输出装置10的输入端24。在该实施例中，输出装置10包括传统的可选源跟随器读出电路，其包括源跟随器晶体管26、选择晶体管28、偏压晶体管30和输出节点32。输出装置10被设计为感测开关出口13处的电压，而无需从该出口抽取任何电流。选择晶体管28选择将一行或一列像素中的哪个像素连接至电流源。

在使用中，通过向晶体管复位开关12的栅极施加低复位电压V_reset来启动图像采集处理，从而使开关导通。通过连接点17向光电传感器2施加高电压V_DD，从而对电容器16充电。然后复位电压V_reset升高且复位开关12停止导通，从而使电容器16通过光电检测器14放电。电容器16的放电率取决于通过光电检测器14的电流I_ph，而该电流又取决于入射到光电检测器上的光的强度。从而，如图2所示，连接点17处的电压V_C降低。假设比较器输入电流可以忽略，则在复位电压变高后的时间t处，电压V_C将由以下等式给出：

V_C＝V_DD-I_ph.t/C

因而，光电传感器2在连接点17处提供表示检测到的光强度(负比例常数)的时间积分的输出信号V_C。光电传感器2的输出信号V_C通过开关出口13经由断开开关8被施加至输出装置10的输入端24，然后被施加给比较器6的第一输入端18。

连接至比较器6的第二输入端20的信号发生器4被构造并配置为产生取决于时间的基准信号V_ref(t)，该基准信号根据预定非线性函数而变化。图2示出了下面将详细描述的一种适当形式的函数。可以看出，基准信号V_ref(t)随时间t增大，而基准信号的变化率随时间而减小。

因此，如图2所示，比较器6经由第一输入端18接收光电传感器信号V_C以及经由第二输入端20接收基准信号V_ref(t)。比较器的输出端22连接至断开开关8的栅极。比较器6被配置为在电压V_C高于基准电压V_ref(t)时，比较器输出端变高并且断开开关8导通，从而将光电传感器信号V_C施加至输出装置10。然而，当电压V_C低于基准电压V_ref(t)时，比较器输出端变低并且断开开关8停止导通，从而使光电传感器信号V_C与输出装置10断开。

在使用中，当基准信号V_ref(t)开始低而增大时，光电传感器输出信号V_C开始高而降低。比较器6比较这两个输入信号并检测跃迁点：即，何时V_C＝V_ref(t)。在图2所示的实例中，这发生在约4ms的时间之后。在本文中被称作“捕获时刻”的该时刻，比较器的输出电压发生变化。输出端22处的电压变化提供了控制断开开关8的捕获信号。当将捕获信号施加至晶体管断开开关8的栅极时，晶体管断开开关8停止导通并因此使源跟随器晶体管26的栅极与光电传感器信号V_C隔离。这使得输出装置10与光电传感器信号V_C断开。从而，输出装置10在断开时刻捕获光电传感器信号V_C，并在输出节点32处提供读出信号。限定基准信号V_ref(t)的形式的函数被设计为使所捕获的输出信号V_C与光电流的对数成比例，进而与积分后的检测到的光强度的对数成比例。这在图3中进行了描述。

来自图像传感器阵列中的所有像素检测器的输出信号被馈送给传统的电子处理器(未示出)，该电子处理器将这些信号数字化并将它们进行组合以形成图像文件。该文件可以被查看和/或被存储以用于以后查看。如果需要，可以以适当的间隔来重复捕获处理以提供视频信号。

可以使用用于基准信号V_ref(t)的不同函数来获得光电流与像素输出电压之间的不同关系。通过使用图2中所示的基准信号作为比较器输入电压，可以产生在其中被采样到源跟随器上的电压与光电流的对数成比例的像素检测器。可选地，如果需要以线性响应替代对数响应，这可以通过将提供给比较器的基准电压从如图2中所示的放电像素的形式改变为常数低电压值来容易地实现。因此，可以容易地在两种响应之间进行切换。

可以使用与在任意波形发生器中所使用的方法类似的方法来产生提供对数响应所必需的比较器基准电压。例如，可以使用只读存储器(ROM)和数字模拟转换器(DAC)来产生基准电压。

基于新的像素检测器的图像传感器可以具有以下优点：

(i)具有比传统对数图像传感器的输出电压范围大的输出电压范围，从而该输出图像较少会受到时间噪声和像素间的变化的影响，

(ii)积分响应，这意味着与现有的设计不同，像素响应时间在低光级不受限制，

(iii)与获得1％对比灵敏度一致的散粒噪声限制信噪比。

图8是构成根据本发明的第二实施例的电子图像传感器的一部分的像素检测器的示意性电路图。像素检测器包括光电传感器102、第一信号发生器104、包括比较器106和晶体管断开开关108的传感装置、包括读出电路的输出装置110、以及晶体管复位开关112。

光电传感器112包括与电容器116并联连接的光电检测器114。例如，光电检测器114可以是光电二极管或光电晶体管。光电传感器102在连接点117处提供由电容器电压V_C表示的信号。该光电检测器信号连接至比较器106的第一输入端118。信号发生器104连接至比较器的第二输入端120。复位开关112也通过连接点117连接至光电传感器102。

比较器106具有用于捕获信号的输出端122，该输出端连接至断开开关108的栅极以控制该开关的操作。断开开关108被配置为将第二信号发生器123的输出端连接至输出装置110的输入端125。该输出端还通过电容器124接地。输出装置110还包括传统的可选源跟随器读出电路，该电路包括源跟随器晶体管126、选择晶体管128、偏压晶体管130、以及输出节点132。

第二信号发生器123产生取决于时间的斜坡电压V_time形式的指引信号。当断开开关108导通时，其将指引信号连接至输出装置110的输入端125。

通过向晶体管复位开关112的栅极施加低复位电压V_reset来启动图像采集处理，从而使开关导通。这通过连接点117向光电传感器102施加高电压V_DD，从而对电容器116充电。然后复位电压V_reset升高且复位开关112停止导通，从而使电容器116通过光电检测器114放电。电容器116的放电率取决于通过光电检测器114的电流I_ph，而该电流又取决于入射到光电检测器上的光的强度。因此，连接点117处的电压V_C降低，从而在复位电压变高后的时间t，电压V_C将由以下等式给出：

V_C＝V_DD-I_ph.t/C

因此，光电传感器102在连接点117处提供表示检测到的光强度的时间积分的信号V_C。该光电传感器信号V_C被施加至比较器106的第一输入端118。

例如，如图2所示，连接至比较器106的第二输入端120的第一信号发生器104被构造并配置为产生根据预定非线性函数变化的取决于时间的基准信号V_ref(t)。基准信号V_ref(t)随时间t增大，而基准信号的变化率随时间而减小。该基准信号被设计为使积分停止的时间与光电流的对数成比例。

从而，比较器106经由第一输入端118接收光电传感器信号V_C以及经由第二输入端120接收基准信号V_ref(t)。比较器的输出端122连接至断开开关108的栅极。比较器106被配置为在电压V_C高于基准电压V_ref(t)时，其输出端为高且断开开关108导通，从而将指引信号V_time施加至输出装置110。然而，当V_C小于V_ref(t)时，比较器输出端为低且断开开关108停止导通，从而使指引信号V_time与输出装置110断开。

在使用中，当基准信号V_ref(t)开始低而增大时，光电传感器输出信号V_C开始高而降低。比较器106对这两个输入信号进行比较并检测这两个信号的跃迁点：即，何时V_C＝V_ref(t)。在捕获时刻，比较器的输出从高变低。输出端122处的电压变化用作捕获信号并被施加至晶体管断开开关108的栅极，该开关停止导通并因此使源跟随器晶体管124的栅极与由第二信号发生器123产生的指引信号V_time隔离。输出装置110在捕获时刻捕获指引信号V_time并在输出节点132处提供输出信号。由于所选择的基准信号V_ref(t)的形式，该输出信号与光电流的对数成比例，并进而与所积分的检测到的光强度的对数成比例。

图9是根据本发明第三实施例的像素检测器的示意性电路图。该实施例的每个像素使用了比前两个实施例更少的晶体管，因此提供了优于那些实施例的显著的成本和尺寸优点。这对于具有大量像素单元的图像传感器尤为重要。

像素检测器包括光电传感器装置202、信号发生器204、包括晶体管开关的传感装置208、输出装置210、和晶体管复位开关212。晶体管开关208具有连接至输出装置210的输入端的出口213。在该实施例中，晶体管开关208是p沟道MOSFET，其仅在栅极电压比源极电压小等于晶体管阈值电压的量时导通。当栅极电压等于或大于源极电压减去阈值电压时，晶体管208停止导通。

光电传感器装置202包括与电容器216并联连接的光电检测器214。所需的电容C可以由如图所示的独立的电容器来提供、和/或由光电检测器214或其他电路元件的固有电容提供。例如，此处被示为恒流源的光电检测器214可以是光电二极管或光电晶体管。光电传感器装置202在连接点217处提供由电容器电压V_C表示的光电传感器输出信号。该输出信号连接至晶体管开关208的源极。开关出口213被提供有晶体管开关208的漏极处的电压。复位开关212通过连接点217连接至光电传感器202。

信号发生器204连接至断开开关208的栅极并控制该开关的操作。当施加至栅极的基准电压小于施加至源极的光电传感器电压减去阈值电压时，该开关导通，从而将光电传感器输出信号V_C施加至输出装置210的输入端224。当基准电压大于光电传感器电压减去阈值电压时，该开关停止导通，从而使输入端224与光电传感器输出信号隔离。

输出装置210包括传统的可选源跟随器读出电路，其包括源跟随器晶体管226、选择晶体管228、偏压晶体管230和输出节点232。输出装置210被设计为感测开关出口213处的电压，而无需从该出口抽取任何电流。选择晶体管228选择将一行或一列像素中的哪个像素连接至电流源。

在使用中，通过向晶体管复位开关212的栅极施加低复位电压V_reset来启动图像采集处理，从而使开关导通。其通过连接点217向光电传感器202施加高电压V_DD，从而对电容器216充电。然后复位电压V_reset升高且复位开关212停止导通，从而使电容器216通过光电检测器214放电。电容器216的放电率取决于通过光电检测器214的电流I_ph，而该电流又取决于入射到光电检测器上的光的强度。从而，连接点217处的电压V_C降低。

在复位电压变高后的时间t，电压V_C将由以下等式给出：

V_C＝V_DD-I_ph.t/C

因而，光电传感器202在连接点217处提供与检测到的光强度的时间积分成比例(负比例常数)的输出信号V_C。光电传感器202的输出信号V_C经由断开开关208被施加至输出装置210的输入端224。

信号发生器204被构造并配置为产生根据预定非线性函数变化的取决于时间的基准信号V_ref(t)。这与图2所示的情况相类似，但是考虑到阈值电压而进行了修改。基准信号V_ref(t)随时间t增大，而基准信号的变化率随时间而减小。

晶体管208在源极端接收光电传感器信号V_C，而在栅极端接收基准信号V_ref(t)。晶体管开关208的漏极端连接至开关出口213。当基准电压V_ref(t)小于光电传感器电压V_C减去阈值电压V_th(即，当V_ref＜V_C-V_th)时，晶体管开关208导通，从而向输出装置210施加光电传感器信号V_C。然而，当基准电压V_ref(t)等于或大于光电传感器电压V_C减去阈值电压V_th(即，当V_ref≥V_C-V_th)时，晶体管开关208停止导通，从而使光电传感器信号V_C与输出装置210断开。也就是说，当光电传感器电压V_C与基准电压V_ref之差小于阈值电压V_th(即，当V_C-V_ref＜V_th)时，输出装置与光电传感器隔离。应注意，利用p沟道MOSFET，阈值电压有时为负数。

因此，输出装置210在捕获时刻对光电传感器信号V_C进行采样，并在输出节点232提供读出信号。限定基准信号V_ref(t)的形式的函数被设计为使所捕获的输出信号V_C与所积分的检测到的光强度的对数成比例。

该图像传感器适用于各种应用，尤其包括被设计用在不受控制的照明条件或具有非常宽的照度动态范围条件下的照相机(用于静止和视频图像)。例如，这些可以包括交通监控照相机、安全照相机、车号牌识别照相机以及用在汽车中的夜视照相机。该图像传感器还可以用于各种机器人应用中，例如，用于机器视觉。

下面将参照图4至图7来描述设计产生适合的基准信号的函数的方法。第一推导涉及在积分停止的时刻给出对数响应的传感器(如附图的图8所示)。

我们假设在电容上对光电流进行积分时间t。这会导致的电压变化的幅值为：

| ΔV | = \frac{I_{ph} t}{C}

目的是在与光电流I_ph的对数成比例的时刻t_s停止积分处理。这意味着我们想要使：

t_{s} = SLn \frac{I_{ph}}{I_{ref}}

其等效于

I_ph＝I_ref exp(t_s/S)

此时电压变化为

{| ΔV |}_{s} = \frac{I_{ph} t_{s}}{C} = \frac{I_{ph} S}{C} Ln \frac{I_{ph}}{I_{ref}}

这意味着在停止积分或对表示时间的信号进行采样时，光电流与电压变化之间的关系为：

{| ΔV |}_{s} = \frac{{SI}_{ph}}{C} Ln \frac{I_{ph}}{I_{ref}}

去除光电流导致

| ΔV | = \frac{I_{ref} t}{C} \exp (t / S)

现在，电容通常为1pF，并且所感兴趣的时间介于0和20ms之间。此时，电压的变化必须接近1V。这意味着I_ref将大于典型的光电流。这意味着根据下面的表达式获得正时间：

t_{s} = SLn \frac{I_{ph}}{I_{ref}}

其中，参数S必须为负。因此，为了使电压的变化最终开始随时间而减少更加清晰，最好以以下形式重写用于电压的表达式：

| ΔV | = \frac{I_{ref} t}{C} \exp (- t / | S |)

在t＝0和t＝无穷大时的快速验证示出在这些点处函数为零。

当t＝|S|时，该函数还具有最大值，且该值为：

| ΔV | = \frac{I_{ref} | S |}{C} \exp (- 1)

基准电压应用于避免比较器非常快速停止积分处理的可能性。这样做的一种方法是保持基准电压以使其等于该最大变化，直到t＝|S|，且只有在该时间之后才允许其改变。然后，该变化变为：

| ΔV | = \frac{I_{ref} | S |}{C} \exp (- 1)

当t＜|S|时

| ΔV | = \frac{I_{ref} t}{C} \exp (- t / | S |)

其他

该像素存在的唯一问题在于其需要表示时间的信号。因此，存在两个取决于外部提供时间的信号。通过停止积分处理可以不再需要表示时间的信号，从而像素中的电压本身表示光电流的对数。

对于在其中像素电压给出对数响应的传感器(如图1所示)，如下推导用于产生合适的基准信号的函数：

我们假设将光电流I_p积分到电容C上。这意味着在时间t电压变化的幅度由下式给出：

| ΔV | = \frac{I_{p} t}{C}

目的是为了在时间t_s停止积分处理，以使电容上的电压变化幅度与光电流的对数成比例。这意味着我们想要当电压改变下式表示的量时停止积分或对其进行采样：

{| ΔV |}_{s} = SLn \frac{I_{p}}{I_{ref}}

该式等效于

I_p＝I_ref exp(|ΔV|_s/S)

使用于电压变化幅度的表达式相等得到：

{| ΔV |}_{s} = \frac{I_{p} t_{s}}{C} = SLn \frac{I_{p}}{I_{ref}} - - - (A 1)

可以对其进行重新配置以给出：

t_{s} = \frac{SC}{I_{p}} Ln \frac{I_{p}}{I_{ref}}

从该等式可以很容易地根据电压变化的幅度来确定时间：

t = \frac{C | ΔV |}{I_{ref}} \exp (- | ΔV / S |)

因此，尽管期望获得作为时间函数的电压变化的表达式，但是更容易确定电压的特定变化导致结束电容器上的电荷累积的时间。

在对于值V_init开始对电容器进行充电的像素的两种情况中，

V_ref(t)＝V_init+|ΔV|(t)

而如果对于值V_init通过光电流使电容器进行放电，则

V_ref(t)＝V_init-|ΔV|(t)

已经在假设将光电流积分到电容器上以及在每个像素中都使用比较器来在出现等式(A1)中的条件的情况下结束电荷累积的基础上对提出的技术进行建模。图4至图7示出了使用值C＝20fF、I_ref＝10fA、和S＝0.15而得到的典型结果。

图4示出了在对像素检测器进行充电以产生与光电流的对数成比例的像素输出电压时所需的基准电压V_ref(t)。图5中的结果示出了对于这些参数值，在积分停止时输出电压在大于六十倍程的照度范围与光电流的对数成比例，并且对于光电流中的每十倍程的变化，输出电压的改变大于300mV。

同样重要的是，图6示出了对于这些参数，在小于20ms的时间内对小至1pA的光电流产生输出电压。图7示出了即使对于该小光电流，足够的电荷也被累积到散粒噪声限制信噪比大于300的电容器上，这与实现好于1％的对比灵敏度的理想目标是一致的。

该方法优于产生对数像素的传统方法的一个主要优点在于，与传统设计中的每十倍程小于60mV相比，光电流的每十倍程变化的输出电压的变化超过每十倍程300mV。这种每十倍程的输出电压变化通过参数S来控制。这意味着该变化是通过电路设计者而非装置参数控制的。

Claims

1.一种用于电子成像装置的图像传感器，所述图像传感器包括像素检测器的阵列，每个像素检测器都包括：

a.光电传感器装置，被构造并配置为检测入射光，并具有用于表示检测到的光强度的时间积分的光电传感器信号的光电传感器输出端，

b.信号发生器装置，被构造并配置为产生根据预定函数变化的基准信号，

c.传感装置，具有被连接以接收所述光电传感器信号的第一输入端以及被连接以接收所述基准信号的第二输入端，所述传感装置被构造并配置为比较所述光电传感器信号和所述基准信号，并由所述比较来确定捕获时刻，以及

d.输出装置，被配置为在所述捕获时刻捕获输出信号，其中，所述输出信号表示积分后的光强度的对数。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述光电传感器包括电容和被配置为根据所述检测到的光强度来传导电流的光电传感器元件，以及所述光电传感器信号表示在通过光电传感器电流对所述电容充电或放电时在所述电容两端的电压。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，包括向所述电容施加初始电压的复位装置，其中，随后通过所述光电传感器电流使所述电容放电。

4.根据前述权利要求中任一项所述的图像传感器，其中，所述基准信号根据非线性函数变化。

5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，所述基准信号的变化率随时间而减小。

6.根据前述权利要求中任一项所述的图像传感器，其中，所述基准信号V_s的形式由函数

t = \frac{CΔ V_{s}}{I_{ref}} \exp (- Δ V_{s} / S)

定义，其中，t为时间，C为电容，I_ref为基准电流，以及S为可选常数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的图像传感器，其中，所述传感装置通过感测所述光电传感器信号与所述基准信号之间的差何时达到预定值来确定所述捕获时刻。

8.根据前述权利要求中任一项所述的图像传感器，其中，所述传感装置包括：切换装置，将所述光电传感器输出端连接至所述输出装置，并可操作地使所述光电传感器输出端与所述输出装置断开。

9.根据前述权利要求中任一项所述的图像传感器，其中，所述传感装置包括：比较器，具有被连接以接收所述光电传感器信号的第一输入端、被连接以接收所述基准信号的第二输入端、和用于捕获信号的输出端；以及开关元件，具有被连接以接收所述光电传感器信号的第一输入端、被连接以接收所述捕获信号的第二输入端、和用于所述输出信号的输出端，所述比较器被构造并配置为在所述捕获时刻产生捕获信号，以及所述开关元件被配置为将所述光电传感器信号连接至开关输出端，并可操作地在接收到捕获信号时使所述光电传感器信号与开关出口断开。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述比较器被构造并配置为在所述基准信号与所述光电传感器信号之间的差等于零时产生捕获信号。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的图像传感器，其中，所述开关元件是n沟道MOSFET，其栅极连接至所述比较器输出端，源极被连接以接收所述光电传感器信号，以及漏极连接至所述开关输出端。

12.根据权利要求1至8中任一项所述的图像传感器，包括用于产生指引信号的装置，所述输出装置被配置为在所述捕获时刻捕获所述指引信号。

13.根据权利要求1至8中任一项所述的图像传感器，其中，所述传感装置包括开关元件，所述开关元件被构造并配置为将所述光电传感器信号连接至所述输出装置，并可操作地在所述捕获时刻使所述光电传感器信号与所述输出装置断开。

14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述开关元件包括晶体管开关，其栅极被连接以接收所述基准信号，源极被连接以接收所述光电传感器信号，以及漏极连接至所述输出装置。

15.根据权利要求14所述的图像传感器，其中，所述晶体管开关是p沟道MOSFET。

16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述晶体管开关被构造并配置为在所述基准信号与所述光电传感器信号之间的差小于阈值时使所述光电传感器信号与所述输出装置断开。

17.一种在电子成像装置中感测图像的方法，所述电子成像装置具有包括像素检测器的阵列的图像传感器，所述方法包括：

a.利用在每个像素检测器中的光电传感器来检测入射光，并提供表示检测到的光强度的时间积分的光电传感器信号，

b.产生根据预定函数变化的基准信号，

c.比较所述光电传感器信号和所述基准信号，并由所述比较来确定捕获时刻，以及

d.在所述捕获时刻捕获输出信号，其中，所述输出信号表示积分后的光强度的对数。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过感测所述光电传感器信号与所述基准信号之间的差何时达到预定值来确定所述捕获时刻。

19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中，所述光电传感器传导取决于所述检测到的光强度的电流，以及所述光电传感器信号表示在通过所述光电传感器电流充电或放电的电容两端的电压。

20.根据权利要求19所述的方法，包括：向所述电容施加初始电压，然后通过所述光电传感器电流使所述电容放电。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述基准信号根据非线性函数变化。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述基准信号的变化率减小。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，所述基准信号V_s的形式由函数

t = \frac{CΔ V_{s}}{I_{ref}} \exp (- Δ V_{s} / S)

24. 根据权利要求17至23中任一项所述的方法，包括：在所述捕获时刻捕获所述光电传感器信号，所述输出信号与所捕获的光电传感器信号相关。

25. 根据权利要求24所述的方法，包括：在所述捕获时刻使所述输出装置与所述光电传感器信号断开。

26.根据权利要求24或25所述的方法，包括：在所述捕获时刻产生捕获信号，并在接收到所述捕获信号时捕获所述光电传感器信号。

27.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，包括：产生指引信号并在所述捕获时刻捕获所述指引信号，所述输出信号与所捕获的指引信号相关。

28.根据权利要求27所述的方法，包括：在所述捕获时刻产生捕获信号，并在接收到所述捕获信号时捕获所述指引信号。