CN107896308A - 脉冲阵列式仿视网膜图像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成电路领域，为实现模拟生物视网膜感知事物的方式，采取脉冲型式来感知光强的变化，将光强的信息转换为相连的脉冲信号之间的时间间隔，不仅大大增加了图像传感器的动态范围，同时还避免了传统图像传感器量化光强时带来的巨大数据量，能够满足对目标的高速追踪。为此，本发明脉冲阵列式仿视网膜图像传感器，由光电积分单元，比较器，两个反相器，锁存器，二输入与非门，RS触发器和三态门组成；光电积分单元由两部分组成：复位管和光电二极管；复位管为PMOS，其栅端连接像素的复位信号Pixel_rst，其漏端连接光电二极管的阳极作为光电积分的输出端，光电二极管的阴极接地。本发明主要应用于集成电路设计制造场合。

Description

脉冲阵列式仿视网膜图像传感器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及在图像传感器对高速运动目标的识别应用中。通过在相同的数据带宽的情况下，降低数据率，提升帧频，完成对运动物体的高速探测。

背景技术

近年来，图像传感器的发展日益迅猛，人们对于高速运动的目标进行实时性检测的需求也在不断增大。传统的图像传感器在感知光强时，需要将光强值进行量化处理，以8位的精度为例，每个像素在感知光强后将输出8位的二进制数据。在图像传感器的帧频达到200帧/s，像素阵列规模达到1920*1080的情况下,传输的数据率会达到将近3.32Gbit/s。而且随着画面精度的不断提高，量化的位数也会随之而增加，传输的数据率也会同步提升。数据率的提高不仅会增大对接口电路的压力，且会增加在后端处理过程中的复杂性，给数据在传输过程中带来很大的延迟，导致图像信息无法及时有效的进行处理和分析，即无法实现对高速运动目标的探测。因此，探求有效降低数据率，且更加迅速的感知图像信息的新型方式变得更加的有意义

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出新的技术方案，模拟生物视网膜感知事物的方式，采取脉冲型式来感知光强的变化，将光强的信息转换为相连的脉冲信号之间的时间间隔，不仅大大增加了图像传感器的动态范围，同时还避免了传统图像传感器量化光强时带来的巨大数据量，能够满足对目标的高速追踪。为此，本发明脉冲阵列式仿视网膜图像传感器，由光电积分单元，比较器，两个反相器，锁存器，二输入与非门，RS触发器和三态门组成；光电积分单元由两部分组成：复位管和光电二极管；复位管为PMOS，其栅端连接像素的复位信号Pixel_rst，其漏端连接光电二极管的阳极作为光电积分的输出端，光电二极管的阴极接地；光电积分单元的输出端连接到比较器的正输入端，比较器的负输入端连接到一个参考电平Vref上；比较器的输出端连接反相器一的输入端，反相器一的输出端连接锁存器的数据输入端；锁存器的锁存控制端信号由相位相反的两个高速时钟信号latch和latchb构成，其中latch信号为正相控制信号，当latch信号为低，latchb信号为高时，锁存器进入导通状态；而latchb信号为低，latch信号为高时，锁存器进入锁存状态；锁存器的正相输出端连接到二输入与非门的一个输入端，与非门的另一个输入端连接到锁存器控制信号中的正相控制信号即latch信号，两输入端不进行区分，与非门的输出端连接到反相器二的输入端，反相器二的输出端连接到RS触发器的S输入端，RS触发器的R输入端连接像素复位信号Rst，RS触发器的正相输出端连接到三态门的输入端，三态门的使能端连接像素读出信号Read，三态门的输出端连接像素的输出端。

具体地，首先，复位信号Pixel_rst为高时，光电积分单元中的复位管处于截止状态，此时为像素的曝光期间。光电积分单元将光信号转换为电压信号，在通过和比较器相连的负端参考电压进行实时比较，当比较器的正相输入电压值低于所设定参考电压时，比较器翻转，同时反相器一的输出电压从低电平翻转为高电平，之后，在clk信号为低电平的期间，锁存器的输入端将捕获反相器一的输出高电平，完成锁存器输出由低到高的跳转；

其次，当clk信号为高电平和锁存器输出为高电平时，通过二输入与非门的逻辑运算产生的Pixel_rst信号会出现低电平信号，此信号反馈到光电积分单元中复位管的栅压，并完成对复位管的复位操作；之后，比较器的正相输入端恢复到接近电源电压，其输出跳回高电平，反相器一的输出也由高电平跳回低电平；在clk信号为低电平期间，锁存器的数据输入端重新捕获到反相器一的输出，锁存器的正相输出端将完成由高到低的翻转，与此同时，Pixel_rst信号也将从低电平跳回到高电平；

最后，RS触发器为高电平触发：其R端捕获到高电平信号时，RS触发器的正相输出会被立即置为1；其S端为复位信号，高电平有效，当S端捕获到高电平时，RS触发器的正相输出端被置为0。RS触发器的正相输入端为Pixel_rst信号的反相，当Pixel_rst出现低电平时，RS触发器将完成触发过程，其正相输出端将实现从低电平到高电平的跳转，并通过Read信号将触发的信号读出到三态门的输出端。Rst信号实现对RS触发器的复位过程，其紧跟在Read信号之后，Rst高电平到来，将RS触发器的正相输出端置为低电平，准备进行下一轮的信息读入。

本发明的特点及有益效果是：

(1)再同等的数据带宽情况下，此种工作方式的图像传感器传输的数据量将大幅度减少，在相同数据带宽条件下提升帧频，使得图像传感器能够及时的对高速运动的物体做出相应。

(2)将光强域转换为时间域，用脉冲之间的时间长度来表示光强信息，大大提高了动态范围。

附图说明：

图1脉冲阵列式仿视网膜图像传感器结构图。

图2列举的此像素工作的某个特定时序图。

具体实施方式

如图1所示，这种脉冲阵列式仿视网膜图像传感器由光电积分单元，比较器，两个反相器，锁存器，二输入与非门，RS触发器和三态门组成。光电积分单元由两部分组成：复位管和光电二极管。复位管为PMOS，其栅端连接像素的复位信号Pixel_rst，其漏端连接光电二极管的阳极作为光电积分的输出端，光电二极管的阴极接地。光电积分单元的输出端连接到比较器的正输入端，比较器的负输入端连接到一个参考电平Vref上。比较器的输出端连接反相器一的输入端，反相器一的输出端连接锁存器的数据输入端。锁存器的锁存控制端信号由相位相反的两个高速时钟信号构成(latch和latchb，其中latch信号为正相控制信号)。当latch信号为低，latchb信号为高时，锁存器进入导通状态；而latchb信号为低，latch信号为高时，锁存器进入锁存状态。锁存器的正相输出端连接到二输入与非门的一个输入端，与非门的另一个输入端连接到锁存器控制信号中的正相控制信号上(即latch信号)，两输入端不进行区分，与非门的输出端连接到反相器二的输入端。反相器二的输出端连接到RS触发器的S输入端。RS触发器的R输入端连接像素复位信号Rst，RS触发器的正相输出端连接到三态门的输入端。三态门的使能端连接像素读出信号Read，三态门的输出端连接像素的输出端。

这种图像传感器的工作模式和传统的图像传感器工作模式存在很大的不同。图2为列举的此像素工作的某个特定时序：首先，复位信号Pixel_rst为高时，光电积分单元中的复位管处于截止状态，此时为像素的曝光期间。光电积分单元将光信号转换为电压信号，在通过和比较器相连的负端参考电压进行实时比较。当比较器的正相输入电压值低于所设定参考电压时，比较器翻转，同时反相器一的输出电压从低电平翻转为高电平。之后，在clk信号为低电平的期间，锁存器的输入端将捕获反相器一的输出高电平，完成锁存器输出由低到高的跳转。

其次，当clk信号为高电平和锁存器输出为高电平时，通过二输入与非门的逻辑运算产生的Pixel_rst信号会出现低电平信号，此信号反馈到光电积分单元中复位管的栅压，并完成对复位管的复位操作。之后，比较器的正相输入端恢复到接近电源电压，其输出跳回高电平，反相器一的输出也由高电平跳回低电平。在clk信号为低电平期间，锁存器的数据输入端重新捕获到反相器一的输出，锁存器的正相输出端将完成由高到低的翻转，与此同时，Pixel_rst信号也将从低电平跳回到高电平。

最后，此结构中的RS触发器为高电平触发：其R端捕获到高电平信号时，RS触发器的正相输出会被立即置为1；其S端为复位信号，高电平有效，当S端捕获到高电平时，RS触发器的正相输出端被置为0。RS触发器的正相输入端为Pixel_rst信号的反相，当Pixel_rst出现低电平时，RS触发器将完成触发过程，其正相输出端将实现从低电平到高电平的跳转，并通过Read信号将触发的信号读出到三态门的输出端。Rst信号实现对RS触发器的复位过程，其紧跟在Read信号之后，Rst高电平到来，将RS触发器的正相输出端置为低电平，准备进行下一轮的信息读入。

本发明的像素结构中，比较器的正相输入端异常的敏感，一旦其他信号对其扰动过大，极容易产生错误的脉冲信号，导致输出的结果出现误差。因此，应尽量减小其他信号对此信号的干扰，保持其“洁净”。而与之相关的信号干扰路径有两个：一条路径为图一中锁存器的控制信号通过耦合作用穿过与非门、反相器等一系列结构到达Pixel_rst信号中，继而通过复位管耦合到比较器的正相输入端。另一条路径为图一中的锁存器控制信号通过耦合作用向左传输，通过反相器和比较器的输出，到达比较器的正相输入端。

在实际的像素结构中，针对第一条路径中的干扰问题，可在与非门和反相器之间再加入两个反相器来降低时钟控制信号对Pixel_rst带来的影响，继而降低对比较器正相输入端的影响。第二条路径存在的问题，可在比较器和反相器之间加入一个MOS电容结构来进行滤波处理。按照以上两种方法，比较器正相输入端因时钟信号耦合作用带来的影响可以被大幅度地减小。

Claims (2)

1.一种脉冲阵列式仿视网膜图像传感器，其特征是，由光电积分单元，比较器，两个反相器，锁存器，二输入与非门，RS触发器和三态门组成；光电积分单元由两部分组成：复位管和光电二极管；复位管为PMOS，其栅端连接像素的复位信号Pixel_rst，其漏端连接光电二极管的阳极作为光电积分的输出端，光电二极管的阴极接地；光电积分单元的输出端连接到比较器的正输入端，比较器的负输入端连接到一个参考电平Vref上；比较器的输出端连接反相器一的输入端，反相器一的输出端连接锁存器的数据输入端；锁存器的锁存控制端信号由相位相反的两个高速时钟信号latch和latchb构成，其中latch信号为正相控制信号，当latch信号为低，latchb信号为高时，锁存器进入导通状态；而latchb信号为低，latch信号为高时，锁存器进入锁存状态；锁存器的正相输出端连接到二输入与非门的一个输入端，与非门的另一个输入端连接到锁存器控制信号中的正相控制信号即latch信号，两输入端不进行区分，与非门的输出端连接到反相器二的输入端，反相器二的输出端连接到RS触发器的S输入端，RS触发器的R输入端连接像素复位信号Rst，RS触发器的正相输出端连接到三态门的输入端，三态门的使能端连接像素读出信号Read，三态门的输出端连接像素的输出端。

2.如权利要求1所述的脉冲阵列式仿视网膜图像传感器，其特征是，具体地，首先，复位信号Pixel_rst为高时，光电积分单元中的复位管处于截止状态，此时为像素的曝光期间。光电积分单元将光信号转换为电压信号，在通过和比较器相连的负端参考电压进行实时比较，当比较器的正相输入电压值低于所设定参考电压时，比较器翻转，同时反相器一的输出电压从低电平翻转为高电平，之后，在clk信号为低电平的期间，锁存器的输入端将捕获反相器一的输出高电平，完成锁存器输出由低到高的跳转；

其次，当clk信号为高电平和锁存器输出为高电平时，通过二输入与非门的逻辑运算产生的Pixel_rst信号会出现低电平信号，此信号反馈到光电积分单元中复位管的栅压，并完成对复位管的复位操作；之后，比较器的正相输入端恢复到接近电源电压，其输出跳回高电平，反相器一的输出也由高电平跳回低电平；在clk信号为低电平期间，锁存器的数据输入端重新捕获到反相器一的输出，锁存器的正相输出端将完成由高到低的翻转，与此同时，Pixel_rst信号也将从低电平跳回到高电平；

最后，RS触发器为高电平触发：其R端捕获到高电平信号时，RS触发器的正相输出会被立即置为1；其S端为复位信号，高电平有效，当S端捕获到高电平时，RS触发器的正相输出端被置为0。RS触发器的正相输入端为Pixel_rst信号的反相，当Pixel_rst出现低电平时，RS触发器将完成触发过程，其正相输出端将实现从低电平到高电平的跳转，并通过Read信号将触发的信号读出到三态门的输出端。Rst信号实现对RS触发器的复位过程，其紧跟在Read信号之后，Rst高电平到来，将RS触发器的正相输出端置为低电平，准备进行下一轮的信息读入。