CN105049750A - 像素电路及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种像素电路及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器，像素电路包括依次连接的感光电路、对比探测电路和读取电路，依次连接的感光电路、对比探测电路和读取电路：感光电路进用于曝光产生光电流，并将正比于所述光电流的对数的电压信号输出到对比度探测电路；对比度探测电路对电压信号进行放大，并根据电压信号随时间的变化得出光强的对比度信号，将对比度信号输出所述读取电路；读取电路中存储对比度信号，并将对比度信号输出列数据线。本发明中，像素电路中直接得到光强的对比度信号，图像传感器依次输出并记录对比度信号，省去了后期图像处理中的运算消耗和系统功耗。使对比度分析的应用更加快速、实时。

Description

像素电路及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种像素电路及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器。

背景技术

在机器视觉领域，现有的图像传感器技术已能精确地记录光照强度的大小，并可达到很高的空间分别率和色彩保真度。对比度分析具有十分重要的作用。然而，环境中的大部分物体并不会自身发出光线，而是通过对外部光源形成反射光的形式显示自身的形态。故而，光照强度的探测反映的只是整体光源的信息和光源照射的分布，而环境中物体的轮廓、表面形貌以及物体的移动则主要由光线的对比度体现。

由于现有的图像传感器技术通常只能采集光线的光照强度，因此对比度分析往往只能应用于后期的图像处理。图像处理中常用的对比度分析技术包括对比度增强和对比度抽取。通过应用对比度分析能够更佳地显示物体的轮廓和表面形貌、增强色彩反差、物体形状轮廓识别、运动识别、背景过滤等重要的图像处理功能。另一方面，随着图像传感器分别率的不断增加，一幅高清的图像数据往往需要消耗大量的存储空间，例如，以1080p分辨率的图像为例，其中包括1920x1080约等于200万像素，每个像素包括8字节的色彩信息，则该图像需要1600万字节的存储消耗，因此，处理这样的高清图像信息则需要消耗大量的运算消耗和系统功耗。并且，难以实现快速、实时的图像处理，使得在实际场景中应用对比度分析技术进行如物体形状轮廓识别、运动识别、背景过滤等功能时往往具有较大的延时。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种像素电路及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器，通过记录光强的对比度信号，直接得到光强的变化，省去了后期处理的运算消耗和系统功耗。并能够使对比度分析的应用更加快速、实时。

为解决上述技术问题，本发明提供一种像素电路，包括依次连接的感光电路、对比探测电路和读取电路：所述感光电路进用于曝光产生光电流，并将正比于所述光电流的对数的电压信号输出到所述对比度探测电路；所述对比度探测电路对所述电压信号进行放大，并根据所述电压信号随时间的变化得出光强的对比度信号，将所述对比度信号输出所述读取电路；所述读取电路中存储所述对比度信号，并将所述对比度信号输出列数据线。

进一步的，所述感光电路包括感光二极管、第一选通管和第一源跟随晶体管；所述感光二极管的正极接地端，负极接所述第一选通管的源极，所述第一选通管的漏极连接所述第一源跟随晶体管的源极，所述第一选通管的栅极连接一曝光控制信号，所述第一源跟随晶体管的漏极连接电源电压，所述第一源跟随晶体管的栅极连接通过一第一节点连接所述对比探测电路。

进一步的，所述对比探测电路包括放大电路、第一电容以及复位晶体管；所述放大电路连接在所述第一节点与第二节点之间，所述第二节点连接所述读取电路，所述第一电容连接在所述第二节点与地端之间，所述复位晶体管的栅极连接一复位控制信号，所述复位晶体管的源极连接所述第二节点，所述复位晶体管的漏极接地端；

进一步的，所述放大电路包括第二电容、第三电容以及阻抗元件，所述第二电容的连接在所述第一节点与所述电源电压之间，所述第三电容连接在所述第一节点与所述第二节点之间，所述阻抗元件连接在所述第一节点与所述第二节点之间；所述像素电路中还设置一偏置电流，所述偏置电流输出到所述对比度探测电路，所述偏置电流输出至所述第二节点。

进一步的，所述读取电路包括第二源跟随晶体管、第二选通管、第三源跟随晶体管、行选通管以及第四电容；所述第二源跟随晶体管的栅极连接所述第二节点，所述第二源跟随晶体管的源极连接所述第二选通管的漏极，所述第二源跟随晶体管的漏极连接所述电源电压，所述第二选通管的栅极连接一读取控制信号，所述第四电容的一端通过第三节点连接所述第二选通管的源极，所述第四电容的另一端接地端，所述第三源跟随晶体管的栅极连接所述第三节点，所述第三源跟随晶体管的源极连接所述行选通管的源极，所述第三源跟随晶体管的漏极连接电源电压，所述行选通管的栅极连接一行选通控制信号，所述行选通管的漏极连接列数据线。

相应的，本发明还提供一种上述的像素电路的控制方法，包括第一时间段、第二时间段、第三时间段、第四时间段以及第五时间段，其中：

在所述第一时间段内，所述第一选通信号为高电位，所述第一选通管开启，对所述感光二极管进行充电复位；

在所述第二时间段内，所述第一选通信号为高电位，所述感光二极管曝光产生光电流，所述第一节点的电压正比于所述感光二极管所产生的光电流的对数，所述放大电路将所述第一节点的电压进行放大，并输出到所述第二节点，所述第二节点的电压随时间的变化为对比度信号，所述对比度信号存储于所述第一电容中；所述第二选通信号为高电位，使所述第二选通管开启，并将所述对比度信号通过第二源跟随晶体管和第二选通管传输并存储于所述第四电容中；

在所述第三时间段内，所述第一选通信号为低电位，使所述第一选通管关闭，所述第二选通信号为低电位，使所述第二选通管关闭，所述复位控制信号为高电位，所述复位晶体管开启，使所述第一电容放电复位；

在所述第四时间段内，所述复位控制信号为高电位，所述行选择控制信号为高电位，所述行选通管开启，所述对比度信号通过第三源跟随晶体管和所述行选通管传输到列数据线，通过所述列数据线输出；

在所述第五时间段内，所述复位控制信号为低电位，所述行选通信号为高电位，所述对比度信号继续输出到所述列数据线。

进一步的，所述第一节点的电压等于k₁×log(I_光电流)，其中k₁为比例系数，I_光电流为所述感光二极管产生的光电流的大小。

进一步的，所述第二节点的电压为A乘以所述第一节点的电压，其中，A为所述放大电路的增益系数为，A＝(C₂+C₃)/C₃，C₂和C₃分别为所述第二电容和所述第三电容的电容值的大小；所述第一电容的电流值等于其中，k₂为另一比例系数，I_t’为t’时刻的光电流值，I_t为t时间的光电流值，为光强的对比度。

进一步的，所述像素电路中还设置一偏置电流，所述偏置电流输出到所述对比度探测电路，所述偏置电流输出至所述第二节点，所述偏置电流与所述对比度信号同时传输到所述列数据线。

相应的，本发明还提供一种全局对比度探测图像探测器，包括图像传感器和与所述图像传感器连接的读取控制装置，所述图像传感器包括阵列的上述的像素电路。

本发明中，感光电路进行曝光，并产生光电流，产生的光电流通过放大电路进行放大，并得到光强的对比度信号。对比度探测电路将对比度信号输出到读取电路，并将对比度信号保存在第四电容中，之后，读取电路中的行选通信号将第四电容中的对比度信号输出到列数据线，从而可以直接得到光强的强弱变化关系。本发明中，像素电路中直接得到光强变化的对比度信号，图像传感器依次输出并记录对比度信号，从而省去了后期图像处理中的运算消耗和系统功耗。并能够使对比度分析的应用更加快速、实时。

附图说明

图1是本发明一实施例中的全局对比度探测图像传感器的结构示意图；

图2是本发明一实施例中像素电路的结构示意图；

图3是本发明一实施例中像素电路的电路图；

图4是本发明一实施例中的像素电路的控制时序图。

具体实施方式

以下通过参考附图，对所公开的像素电路及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器的各种特征及功能进行详细描述。附图中，除非上下文中另有解释，相似元件采用相似符号标示。本说明书所描述的系统，装置及方法的实施例用于说明而非限制目的。对于本领域技术人员，容易理解的是，所公开的系统，装置及方法的某些方面可配置和组合为各种不同形式，所有这些形式均处于本说明书的范围之内。

本发明中，感光电路中，第一选通信号提供高电平，使第一选通管开启，从而感光二极管开始进行曝光，并产生光电流，第一源跟随晶体管的栅极以正比于感光二极管产生的光电流的对数的电压将光强信号通过第一节点输出到对比度探测电路。对比度探测电路中，放大电路将第一源跟随晶体管的栅极电压进行放大，并通过第二节点输出到读取电路，同时，第二节点处的电压随时间的变化反映的光强的对比度，第一电容存储该对比度信号。读取电路中，读取控制信号提供高电平，第二选通管开启，该对比度信号通过第二源跟随晶体管传输并保存在第四电容中，最后，行选通信号提供高电平，第三源跟随晶体管以及行选通晶体管均开启，将第四电容中的对比度信号输出到列数据线。本发明中，像素电路中直接得到光强变化的对比度信号，图像传感器依次输出并记录对比度信号，从而省去了后期图像处理中的运算消耗和系统功耗。并能够使对比度分析的应用更加快速、实时。

下文结合图1-图4对本发明提供的及其控制方法以及全局对比度探测图像传感器进行详细的描述。其中，本领域技术应该理解的是，图1的全局对比度探测图像传感器以及图2中的像素电路并非按照实际比例，而是示意性地描述像素电路以及全局对比度探测图像传感器的关键部件及其相互关系和功能。

参考图1所示，本发明提供一种全局对比度探测图像探测器，包括图像传感器100和与所述图像传感器连接的读取控制装置200，所述图像传感器100包括阵列分布的像素电路101，例如，可以包括10行10列的像素电路101，同一行的像素电路101连接在同一条行数据线(图中未示出)，同一列的像素电路101连接在同一条数据线上(图中未示出)，通过与行数据线连接的行选通控制器以及与列数据线连接的列选通控制器控制对所述像素电路101的选中，并对所述像素电路101进行操作。所述读取控制装置200包括曝光控制器、读取控制器、行选择控制器、列选择控制器、偏置控制器和复位控制器，其中，曝光控制器、读取控制器、行选择控制器、列选择控制器、偏置控制器和复位控制器依次与每一个像素电路101连接，并为像素电路101提供控制信号。

参考图2所示，本发明提供的像素电路101，包括依次连接的感光电路10、对比探测电路20和读取电路30。所述感光电路10用于探测光强进行曝光，并产生光电流I_光电流，同时将与光电流I_光电流的对数成正比关系的电压信号提供给所述对比度探测电路20，所述对比度探测电路20中将该电压信号进行放大，并得出该电压随时间的变化关系，即为光强的对比度信号。对比度探测电路20将对比度信号提供读取电路30，所述读取控制装置200控制所述读取电路30将所述对比度信号输出。

具体的，参考图3所示，所述感光电路10包括感光二极管PD、第一选通管T2和第一源跟随晶体管T1。所述感光二极管PD的正极接地端GND，负极接所述第一选通管T2的源极，所述第一选通管T2的漏极连接所述第一源跟随晶体管T1的源极，所述第一选通管T2的栅极连接一曝光控制信号S1，第一选通管T2的用于控制是否对感光晶体管PD产生的光强信号进行输出。所述第一源跟随晶体管T1的漏极连接电源电压VDD，栅极连接通过一第一节点N1连接所述对比探测电路20。本实施例中，所述曝光控制器为第一选通信号S1提供控制信号，控制第一选通管T2的开启与关闭。

所述对比探测电路20包括放大电路21、第一电容C1以及复位晶体管T3。所述放大电路21连接在所述第一节点N1与第二节点N2之间，所述第二节点N2连接所述读取电路30。本实施例中，所述放大电路21包括第二电容C2、第三电容C3以及阻抗元件R，所述第二电容C2的连接在所述第一节点N1与电源电压VDD之间，所述第三电容C3连接在所述第一节点N1与所述第二节点N2之间，所述阻抗元件R连接在所述第一节点N1与所述第二节点N2之间。所述第一电容C1连接在所述第二节点N2与地端GND之间，所述复位晶体管T3的源极连接所述第二节点N2，漏极接地端GND，栅极连接一复位控制信号RES，在本实施例中，所述复位控制器为所述复位晶体管T3提供控制信号，控制复位晶体管T3的开启与关闭，使得第一电容C1充电复位。

此外，所述对比度探测电路20还连接一偏置电流I1，所述偏置电流I1连接所述第二节点N2。在本发明中，所述偏置电流I1是可以根据对光强的探测结果进行调节的，当满足一阈值的光强较多时，可以将偏置电流I1调小，当满足阈值的光强较少时，可以将偏置电流I1调大。并且，对比度探测电路20将对比度信号与偏置电流同时传输到读取电路30。在本实施例中，所述偏置电流I1连接所述偏置控制器，通过偏置控制器实现对偏置电流I1大小的调节。

继续参考图3所示，所述读取电路30包括第二源跟随晶体管T4、第二选通管T5、第三源跟随晶体管T6、行选通管T7以及第四电容C4。所述第二源跟随晶体管T4的栅极连接所述第二节点N2，源极连接所述第二选通管T5的漏极，漏极连接电源电压VDD。所述第二选通管T5的栅极连接一读取控制信号S2，源极通过第三节点N3连接所述第四电容C4的一端，所述第四电容C4的另一端接地端GND。在本实施例中，所述读取控制器提供控制信号给第二选通管T5，控制第二选通管T5的开启或关闭，使得第二源跟随晶体管T4的信号传输到第四电容C4。

同时，所述第三源跟随晶体管T6的栅极连接所述第三节点N3，源极连接所述行选通管T7的源极，漏极连接电源电压VDD。所述行选通管T7的栅极连接一行选通控制信号RS，漏极连接列数据线。所述行选通控制信号RS提供行选通控制信号RS，控制行选通管T7的开启或关闭，决定该像素电路101的信号是否输出。

相应的，本发明还提供一种上述的像素电路101的控制方法，其控制时序图参考图4所示，包括第一时间段t1、第二时间段t2、第三时间段t3、第四时间段t4以及第五时间段t5，具体包括：

在第一时间段t1内，曝光控制器为所述第一选通信号S1提供高电平，使得所述第一选通管T2开启，所述感光二极管PD进行充电复位。所述感光二极管PD充电复位的时间为0～10微秒，优选为2微秒，从而所述第一时间段t1的时间为0～10微秒。

在第二时间段t2内，曝光控制器为所述第一选通信号S1仍提供高电平，使得感光二极管PD经过充电复位之后开始曝光，并产生光电流I_光电流，光电流I_{光 电流}通过第一选通管T2传输到第一源跟随晶体管T1。第一源跟随晶体管T1的栅极(第一节点N1)的电压V1正比于光电流，V1＝k₁×log(I_光电流)，其中k₁为比例系数，为一常数，更具体的，第一源跟随晶体管T1的栅极电压其中U_T为温度T下的热电压，κ为亚阈值斜率系数，I₀为电流标度系数，由此可知，第一源跟随晶体管T1的栅极电压V1通过放大电路21进行放大输出到第二源跟随晶体管T4。其中，放大电路21的增益系数为A，A＝(C₂+C₃)/C₃，C₂和C₃分别为第二电容器C2和第三电容C3的电容值的大小，即，经过放大电路21之后，第二源跟随晶体管T4的栅极电压(第二节点N2)的电压为第一节点N1的电压V1乘以增益系数A。并且，阻抗元件R的作用是保持放大电路21输出的第二节点N2的电压与所述第一源跟随晶体管T1的栅极V1的直流电压的相位一致。此时，第二节点N2对第一电容C1进行充电。第一电容C1的电流大小为I_第一电容＝A×k₂×dV₁/dt＝Ak₁k₂×d(ln(I_光电流))/dt，其中k₂为另一比例系数，为一常数。在感光二极管PD曝光t至t’的一段时间过程中，第一源跟随晶体管T1的栅极其中，I_t’为t’时刻的光电流值，I_t为t时间的光电流值。所以， 从而第一电容C1的电流I_第一电容即为反映了t和t’的两时刻光强对比度的对比度信号。第二节点N2将对比度信号I_第一电容以及偏置电流I1同时输出到第二源跟随晶体管T4的栅极。

此时，读取控制器为所述第二选通信号S2提供高电平，使得所述第二选通管T5开启，第二节点N2的信号通过第二源跟随晶体管T4和第二选通管将所述对比度信号I_第一电容和偏置电流I1传输到第四电容C4，并保持在所述第四电容C4中。在本实施例中，所述第二时间段t2的时间为0～10微秒。

在第三时间段t3内，曝光控制器为所述第一选通信号S1提供为低电平，使得所述第一选通管T2关闭，从而感光二极管PD的光电流不输出到的第一源跟随晶体管T1。读取控制器将所述第二选通信号S2设置为低电位，使得所述第二选通管T5关闭，从而对比度探测电路20不会通过第二源跟随晶体管T4将对比度信号输出到第四电容C4。此时，复位控制器为所述复位控制信号RES提供高电平，使所述复位晶体管T3开启，从而所述第一电容C1放电复位。所述第三时间段t3的时间为0～10微秒，例如，可以为2微秒。

在第四时间段t4内，所述复位控制信号RES仍为高电位，同时，行选择控制器将所述行选择控制信号RS设置为高电位，使所述行选通管T7开启，从而第三节点N3通过第三源跟随晶体管T6以及所述行选通管T7将所述对比度信号I_第一电容和偏置电流I1传输到列数据线，通过所述列数据线输出。一般的，所述第四时间段t4的时间为0～10微秒。

此外，为了使得对比度信号I_第一电容和偏置电流I1可以更好的输出，所述的像素电路101的控制方法还包括第五时间段t5，在所述第五时间段t5内，所述复位控制信号RES为低电位，所述行选通信号RS仍为高电位。所述第五时间段t5的时间为0～10微秒，在第五时间段t5内，第三节点N3处的信号继续输出到列数据线。

如上文所述，像素电路101的控制方法中仅描述了像素电路101阵列的其中某一个像素电路101将光强的对比度信号输出的方法，通过读取控制器对图像传感器中的像素电路101的阵列的行和列分别进行控制，或者通过本领域公知的其他控制方法，实现整个图像传感器的光强的对比度信号的输出，此为本领域技术人员公知的，在此不做赘述。

综上所述，本发明中，像素电路101中感光二极管PD曝光的光强的变化即可第二节点N2处的电压的变化，第二节点N2处的电压随时间的变化即为第一电容C1的充电电流，从而第一电容C1存储的光强对的对比度信息。通过将第一电容C1的电流进行输出，可以直接得到光强变化的对比度信号，图像传感器依次输出并记录对比度信号，从而省去了后期图像处理中的运算消耗和系统功耗。并能够使对比度分析的应用更加快速、实时。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种像素电路，其特征在于，包括依次连接的感光电路、对比探测电路和读取电路：所述感光电路进用于曝光产生光电流，并将正比于所述光电流的对数的电压信号输出到所述对比度探测电路；所述对比度探测电路对所述电压信号进行放大，并根据所述电压信号随时间的变化得出光强的对比度信号，将所述对比度信号输出所述读取电路；所述读取电路中存储所述对比度信号，并将所述对比度信号输出列数据线。

2.如权利要求1所述的像素电路，其特征在于，所述感光电路包括感光二极管、第一选通管和第一源跟随晶体管；所述感光二极管的正极接地端，负极接所述第一选通管的源极，所述第一选通管的漏极连接所述第一源跟随晶体管的源极，所述第一选通管的栅极连接一曝光控制信号，所述第一源跟随晶体管的漏极连接电源电压，所述第一源跟随晶体管的栅极连接通过一第一节点连接所述对比探测电路。

3.如权利要求2所述的像素电路，其特征在于，所述对比探测电路包括放大电路、第一电容以及复位晶体管；所述放大电路连接在所述第一节点与第二节点之间，所述第二节点连接所述读取电路，所述第一电容连接在所述第二节点与地端之间，所述复位晶体管的栅极连接一复位控制信号，所述复位晶体管的源极连接所述第二节点，所述复位晶体管的漏极接地端。

4.如权利要求3所述的像素电路，其特征在于，所述放大电路包括第二电容、第三电容以及阻抗元件，所述第二电容的连接在所述第一节点与所述电源电压之间，所述第三电容连接在所述第一节点与所述第二节点之间，所述阻抗元件连接在所述第一节点与所述第二节点之间；所述像素电路中还设置一偏置电流，所述偏置电流输出到所述对比度探测电路，所述偏置电流输出至所述第二节点。

5.如权利要求3所述的像素电路，其特征在于，所述读取电路包括第二源跟随晶体管、第二选通管、第三源跟随晶体管、行选通管以及第四电容；所述第二源跟随晶体管的栅极连接所述第二节点，所述第二源跟随晶体管的源极连接所述第二选通管的漏极，所述第二源跟随晶体管的漏极连接所述电源电压，所述第二选通管的栅极连接一读取控制信号，所述第四电容的一端通过第三节点连接所述第二选通管的源极，所述第四电容的另一端接地端，所述第三源跟随晶体管的栅极连接所述第三节点，所述第三源跟随晶体管的源极连接所述行选通管的源极，所述第三源跟随晶体管的漏极连接电源电压，所述行选通管的栅极连接一行选通控制信号，所述行选通管的漏极连接列数据线。

6.一种如权利要求5所述的像素电路的控制方法，其特征在于，包括第一时间段、第二时间段、第三时间段、第四时间段以及第五时间段，其中：

在所述第一时间段内，所述第一选通信号为高电位，所述第一选通管开启，对所述感光二极管进行充电复位；

在所述第二时间段内，所述第一选通信号为高电位，所述感光二极管曝光产生光电流，所述第一节点的电压正比于所述感光二极管所产生的光电流的对数，所述放大电路将所述第一节点的电压进行放大，并输出到所述第二节点，所述第二节点的电压随时间的变化为对比度信号，所述对比度信号存储于所述第一电容中；所述第二选通信号为高电位，使所述第二选通管开启，并将所述对比度信号通过第二源跟随晶体管和第二选通管传输并存储于所述第四电容中；

在所述第三时间段内，所述第一选通信号为低电位，使所述第一选通管关闭，所述第二选通信号为低电位，使所述第二选通管关闭，所述复位控制信号为高电位，所述复位晶体管开启，使所述第一电容放电复位；

在所述第四时间段内，所述复位控制信号为高电位，所述行选择控制信号为高电位，所述行选通管开启，所述对比度信号通过第三源跟随晶体管和所述行选通管传输到列数据线，通过所述列数据线输出；

在所述第五时间段内，所述复位控制信号为低电位，所述行选通信号为高电位，所述对比度信号继续输出到所述列数据线。

7.如权利要求6所述的像素电路的控制方法，其特征在于，所述第一节点的电压等于k₁×log(I_光电流)，其中k₁为比例系数，I_光电流为所述感光二极管产生的光电流的大小。

8.如权利要求6所述的像素电路的控制方法，其特征在于，所述第二节点的电压为A乘以所述第一节点的电压，其中，A为所述放大电路的增益系数为，A＝(C₂+C₃)/C₃，C₂和C₃分别为所述第二电容和所述第三电容的电容值的大小；所述第一电容的电流值等于其中，k₂为另一比例系数，I_t’为t’时刻的光电流值，I_t为t时间的光电流值，为光强的对比度。

9.如权利要求6所述的像素电路的控制方法，其特征在于，所述像素电路中还设置一偏置电流，所述偏置电流输出到所述对比度探测电路，所述偏置电流输出至所述第二节点，所述偏置电流与所述对比度信号同时传输到所述列数据线。

10.一种全局对比度探测图像探测器，其特征在于，包括图像传感器和与所述图像传感器连接的读取控制装置，所述图像传感器包括阵列的如权利要求1-5中任意一项所述的像素电路。