CN110169050A - 动态视觉传感器结构 - Google Patents

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Abstract

动态视觉传感器(DVS)或变化检测传感器对光强的变化作出反应，并以此方式监视场景如何变化。本公开包括单像素和阵列架构两者。DVS可以包含一个像素或二维或一维像素阵列。比较由像素登记的强度的变化，记录并处理变化为正或负的像素地址。仅基于像素的三个值来分析帧：增加、减少或保持不变，所提出的DVS可以比传统的计算机视觉系统处理视觉信息的速度快得多，传统的计算机视觉系统将相继帧之间的多比特颜色或灰度像素值相关联。

Description

动态视觉传感器结构
相关申请
本申请要求2016年12月30日提交的申请号为CH 20160001764的瑞士临时专利和2016年12月30日提交的申请号为CH 20160001765的瑞士临时专利的优先权，它们的全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及视觉传感器，特别是动态或变化检测传感器。这些传感器对光强的变化作出反应，并且以这种方式监视场景如何变化。
背景技术
当今机器视觉主要基于传统照相机及其相关联的基于帧的图像传感器。对于一些机器视觉任务，例如物体识别，这些传统的基于帧的照相机非常适合。然而，对于其他任务，例如跟踪或位置和运动估计，传统的图像传感器具有缺点。
主要的缺点是，传统的照相机产生大量的冗余和不必要的数据，这些数据必须被捕获、通信和处理。这种高数据负载通过降低时间分辨率来减缓反应时间，导致功率消耗增加，并增加机器视觉系统的尺寸和成本。此外，大多数图像传感器具有有限的动态范围、较差的低光性能和运动模糊。
这些缺点是由于数据被捕获为静止图像(帧)的序列而产生的。在某些情况下，将动态场景编码为静止图像对于产生漂亮的图像和电影是有用的，但是这对用于机器视觉使用的数据处理来说不是最佳的。
使用传统照相机的传统计算机视觉系统通常比较顺序图像帧之间的特征用于目标识别。为了估计移动系统的位置和方向并推断周围世界的三维地图，比较两个顺序图像，它们部分重叠，但在不同的时间和不同的姿态下拍摄。为了推断两帧之间发生的运动，必须在两个图像上匹配特征视觉地标(关键点或其他视觉特征)。在两个图像中找到彼此对应的这些点对被称为解决“对应问题”。
解决对应问题需要大量的处理能力。为了检测地标，可能必须搜索图像中的每一个像素以寻找个性特征(角、弧度、边缘等)。然后对像素及其周围的像素邻域进行分组以表征所谓的特征描述符，这些特征描述符随后用于匹配帧之间的特征并由此建立对应点对。这是计算密集型的。直接比较像素强度的直接方法在计算上更加复杂。
另一方面，所谓的动态视觉传感器(DVS)是克服基于帧的编码的局限性的传感器。参见Lichtsteiner等人的公开号为US 2008/0135731，题为“用于检测依赖于时间的图像数据的光阵列”美国专利申请，其通过引用并入本申请。通过使用像素内数据压缩，数据冗余被移除，并且实现高时间分辨率、低延迟、低功耗、具有很少运动模糊的高动态范围。因此，DVS特别适合于太阳能或电池供电的压缩感测或移动机器视觉应用，其中系统的位置必须被估计并且由于电池容量有限而处理功率受限。
DVS在本地对视觉信息进行预处理。代替产生清晰图像，DVS产生用于计算机应用的智能数据。虽然传统的图像传感器捕获电影作为一系列静止图像，但DVS检测并仅传输场景中的变化的位置。它比传统照相机更有效地编码视觉信息，因为它编码像素内数据压缩。这意味着可以使用更少的资源、更低的净功率和更快的系统反应时间来处理数据。高时间分辨率允许连续跟踪视觉特征，从而克服对应问题。此外，DVS的架构允许高动态范围和良好的低光性能。
发明内容
一般的DVS可能有几个缺点：
1.像素电路会比较大，因为它们在某些情况下包括放大器和两个比较器。
2.异步读出电路容易发生定时抖动。如果场景的大面积在短时间内改变，则抖动增加，并且可以延迟从传感器的部分读取数据，导致运动伪影。
3.由于DVS像素电路倾向于自定时，因此不能施加传感器时间分辨率，并且小面积中的非常快的变化可以使通信带宽饱和。
4.DVS传感器具有以下特性：产生的输出数据量主要取决于场景的动态。因此，数据速率是不可预测的，导致处理阶段中的问题，即过载(即，处理阶段不能应付数据量)。
5.在一些DVS传感器中，阵列中的像素在该行被读出之后在每一行中被复位。这意味着不会检测到慢速运动，因为不能累积从帧到帧的小变化。此外，现有的像素电路设计容易由于滚动快门而产生运动伪影。
本发明涉及DVS(动态视觉传感器)设计。可以采用不同的实施例来减轻、消除或淘汰与现有解决方案相关的至少一些缺点。例如，本发明的实施例允许减少在像素阵列中使用的像素的尺寸，因此允许用于相同分辨率的较小传感器或用于相同冲模尺寸的较高分辨率。此外，在一些实施例中，像素阵列的像素可以同步操作(从而允许同步工作的传感器)。此外，可以控制评估光强度的变化的时间，从而允许时间分辨率和事件速率适合当前的情况和应用。
像素电路可以同步地和/或与外部定时基准一起工作。这具有以下列举的几个优点：
1.通过改变所述传感器的时间分辨率来控制事件速率。
2.基于帧的读出允许从具有较少时间抖动的像素读取数据。
3.具有时钟像素电路使得更容易设计与像素阵列接口的数字通信电路，从而允许使用标准数字设计工具。由于没有适当的商业工具，典型的现有DVS的异步电路设计往往更困难。
4.通过控制器控制定时使得能够及时地分离变化检测和读出阶段。这降低了由于从一个像素到另一个像素的寄生耦合而产生虚假事件的风险。
一般来说，根据一个方面，本发明具有传感器的特征。传感器通常包括像素阵列。该阵列可以是一维或二维阵列。然而，单像素传感器是可能的。
传感器的每个像素包括若干元件。光传感器检测入射光。感光器信号是由光传感器接收的光量的函数。还提供存储电容器，其中所述电容器的第一板承载来自所述感光器信号的电荷，并且所述电容器的第二板连接到比较器节点，其电压随着所述感光器信号的变化而变化。然后，一个或多个比较器将比较器节点的电压与一个或多个参考电压进行比较，以评估感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。
一般来说，根据另一方面，本发明具有传感器的特征。该传感器包括像素阵列或单个像素。这些像素中的每一个包括光传感器。感光器信号是由感光器接收的光量的函数。此外，存储电容器携带来自感光器信号的电荷。在像素中仅提供一个比较器。它将比较器节点的电压与一个或多个参考电压进行比较，以评估感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。
在像素中仅使用单个比较器具有减小像素的尺寸的优点。该尺寸减小可用于增加用于半导体芯片的相同区域的阵列的尺寸。另一方面，它可以用于减小传感器的整体尺寸，从而实现低成本装置。
一般来说，根据另一方面，本发明具有传感器的特征。该传感器还包括像素阵列或单个像素。每个像素包括光传感器和存储电容器。所述像素还包括比较器，所述比较器比较从所述存储电容器到一个或多个参考电压的电压，以评估所述感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。根据本发明，比较器还向存储电容器提供复位电压。
使用比较器向存储电容器提供复位电压是有用的，因为它以考虑比较器中的偏移的方式复位存储电容器。这是重要的，因为像素阵列中的每个比较器可能由于制造变化性具有略微不同的偏移。根据本发明，通过使用比较器向存储电容器提供复位电压来消除所产生的任何偏移。
一般来说，根据另一方面，本发明具有传感器的特征。传感器还包括像素阵列或单个像素。每个像素包括光传感器和存储电容器。在所述像素中还提供了比较器。它依次将来自存储电容器的电压与两个参考电压进行比较，以相对于ON阈值或OFF阈值评估感光器信号的变化。
本发明的优点在于，它使用单个比较器通过依次将来自存储电容器的电压与ON阈值和OFF阈值进行比较来确定ON事件和OFF事件。
一般来说，根据另一方面，本发明具有传感器的特征。传感器具有像素阵列或单个像素。这些像素中的每一个包括光传感器和存储电容器。此外，像素具有一个或多个比较器，其比较来自存储电容器的电压以评估感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。最后，存储器结构设置在用于存储一个或多个比较器的输出的像素中。
在像素中提供存储器结构允许像素存储阈值的结果。这允许例如从阵列中的各个像素读出该信息的定时。
一般来说，根据另一方面，本发明具有像素阵列或单个像素的特征。这些像素中的每一个包括光传感器和存储电容器。根据本发明，开关也设置在每个像素中，并且由将光传感器连接到存储电容器的快门电路信号控制。这样，可以向阵列中的所有像素提供全局快门信号。
使用全局快门的优点在于，例如可以使用单个信号来触发整个阵列以避免与滚动快门相关的问题。
一般来说，根据另一方面，本发明具有传感器的特征。传感器包括像素阵列或单个像素。这些像素中的每一个包括光传感器。感光器信号基于光传感器在存储电容器中接收的光，该存储电容器携带来自感光器信号的电荷。根据本发明，一个或多个比较器设置在用于阵列的读出电路中。这些比较器将阵列的存储电容器的电压与参考电压进行比较，以评估感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。
在本发明中，将比较器移至包围像素阵列的外围电路。这允许进一步减小那些对应像素的大小。另一方面，一些比较器可以用于为整个阵列提供必要的阈值功能。
一般来说，根据另一个方面，本发明也可以一种方法为特征。具体地，传感器的操作方法包括：阵列的像素的光传感器检测入射光，产生作为由光传感器接收的光量的函数的感光器信号，使用存储电容器来存储对应于由光传感器先前检测到的光的电荷，其中电容器的第一板承载来自感光器信号的电荷，并且电容器的第二板连接到比较器节点，所述比较器节点的电压随着感光器信号的变化而变化，并且将比较器节点的电压与一个或多个参考电压比较以评估感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。
现在将参照附图更详细地描述本发明的上述特征和其它特征，这些特征包括各种新颖的构造细节和零件组合以及其它优点，并且在权利要求中指出。应理解，体现本发明的特定方法和装置通过图示而不是作为本发明的限制示出。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可用于各种和许多实施例中。
附图说明
在附图中，附图标记在不同视图中指代相同的部分。附图不一定成比例；相反，为了说明本发明的原理，有的地方着重处理。附图中：
图1示出了根据本发明原理的用于DVS或变化检测传感器的像素电路的组件和连接的电路图。
图2示出了具有可选采样电路的像素电路的替代实施例的电路图。
图3示出了具有布置成行和列的二维像素阵列的像素的传感器布局的示意图。
图4A描述了具有固定帧率的变化检测传感器的阶段定时，其中，处理帧的每个阶段需要固定的时间量。
图4B描述了具有可变帧率的变化检测传感器的阶段定时，其中变异性归因于事件读出阶段所花费的时间。
图5示出了没有采样的像素电路的优选实施例的元件的电路图。
图6示出了信号的时间线；水平时间轴对应于在顶部标记的阶段操作的持续时间和发生时间。
图7示出了具有采样的像素电路的优选实施例的部件的电路图。
图8示出了与先前的像素电路实施例相比更小和更简单的像素电路实施例的部件的电路图。
图9示出了对应于图8中所示的像素电路实施例的信号的时间线。
图10示出了更小和更简单的像素实施例的部件的电路图，其中存储电路从像素电路移动到读出电路。
图11示出了对应于图10中所示的像素电路实施例的信号的时间线。
图12示出了另一个像素实施例的电路图，其中每个像素具有两个比较器，该比较器可以比先前的实施例快。
图13是当比较器功能从像素电路移动到读出电路时显示更小像素尺寸的电路图。(注：所示的两个像素沿着像素阵列的列。)
图14描绘了两个像素，其排列与图13中类似。在图中，像素电路包含放大像素输出变化的放大电路。
图15示出了采样电路SC的实施例的电路图。
图16示出了2级比较器A1的实施例的电路图。
图17示出了基于操作跨导放大器的另一比较器实施例的电路图。
图18示出了复位电路的一个实施例的电路图。
图19示出了另一复位电路的电路图。
图20示出了复位电路的第三实施例的电路图。
图21示出了图8的像素实施例的复位电路的第一实施例的电路图。
图22示出了图8的像素实施例的另一复位电路的电路图。
图23示出了图8的像素实施例的复位电路的第三实施例的电路图。
图24示出了图10中所示的像素实施例的复位电路的电路图。
图25示出了图10中所示的像素实施例的复位电路实施例的电路图。
图26是感光器电路的示意图。
图27示出了像素感光器和电路的优选实施例的电路图。
图28示出了具有两个NMOS反馈晶体管的感光器的实施例的电路图。
图29示出了具有PMOS反馈晶体管的感光器的实施例的电路图。
图30示出了像素阵列中的基本读出电路的实施例的示意图。
图31示出了基于事件的读出电路的实施例的示意图。
图32示出了图5、7和12中像素电路的列逻辑电路的优选实施例的电路图。
图33示出了用于图8中的像素电路的列逻辑电路的实施例的电路图。
图34示出了用于图10中的像素电路的列逻辑电路的实施例的电路图。
图35示出了用于图13中的像素电路的列逻辑电路的实施例的电路图。
图36示出了用于图13中所示像素电路和图35的列逻辑电路的实现的信号时间线。
图37示出了用于图14中所示像素电路的列逻辑电路实现。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被理解为仅限于本文所述的实施例；相反，提供了这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将完全将本发明的范围传达给本领域技术人员。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列表项的任何和所有组合。此外，除非另有明确说明，否则单数形式和物品“a”、“an”和“the”也包括复数形式。应进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包括”和/或“包括”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。此外，应当理解，当包括组件或子系统的元件被提及和/或示出为连接或耦合到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件或中间元件。
应当理解，尽管这里使用诸如“第一”和“第二”之类的术语来描述各种元素，但这些元素不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。因此，下面讨论的元件可以称为第二元件，类似地，第二元件可以称为第一元件，而不脱离本发明的教导。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的含义相同的含义。将进一步理解，术语，例如在常用字典中定义的术语，应被解释为具有在相关技术的上下文中与其含义一致的含义，并且除非在此明确定义，否则不会以理想化或过度形式的意义来解释。
在整个申请中使用了许多技术术语。为了本发明的方便和精确描述，下面对它们进行定义。
闭合开关，导通的开关，即，两个端子电连接。
电子连接：在电路中的两个节点之间的连接，或者直接的(电的，使得电流可以在两个节点之间流动)，或者经由缓冲器。
事件：给定像素处的光强度的增加或减少。
事件帧：施加阈值电压、操作存储器、读出和复位存储器内容的一次迭代。
事件率：由像素电路生成和发送的每秒事件数。事件率取决于像素电路配置、阈值设置和时间分辨率，以及传感器运动和观察到的场景。
帧率：每秒读取每个像素的次数。等价于扫描完整事件帧的速率。帧速率可以是固定的或者取决于生成的事件的数量。
运动伪影：如果照相机或被摄体在帧上快速移动，则滚动快门可以在图像中显示出明显的可能的垂直线的斜线。如果在帧中存在快速运动，则整个图像会被扭曲。
关闭事件(OFF事件)：给定像素的光强度的离散降低。
开启事件(ON事件)：给定像素的光强度的离散增加。
断开开关：不导通的开关，即在两个端子之间提供开路。
像素地址：描述像素在阵列中的位置的数字或一对数字。通常是行号和列号。
电源轨：接地(Vss)或电源(Vdd)。
一般地说，图1表示按照本发明原理组装和连接的像素电路的部件。稍后，将参考具有行和列像素的二维像素阵列，这些像素阵列中的每一个具有如在本实施例或替代实施例中描述的电子器件。
本发明中的“像素”指的是一个感测元件，它记录了撞击它的光的强度；“像素电路”或“像素电子”是指像素的电子部件和电路。在本文中，术语“像素电路”将被用于集中讨论像素的电子，而术语“像素”将被用于整体地指代传感元件。一般而言，传感器(见图3)将由像素100的二维阵列和附加外围电路组成。然而，并非所有应用都需要二维阵列。传感器还可以包含单个像素(一个像素的阵列)或像素的一维阵列(线传感器)。
下面列举像素电路100的主要部件。
1.感光器模块。如图所示，像素电路包含光电二极管PD或其它光传感器，以测量撞击光9并将光强度转换为电流Iphoto；感光器信号电路PRC，用于产生依赖于光强度的感光器信号Vpr；以及存储电容器C1，用于记忆过去的感光器信号。光传感器PD和感光器电路PRC构成感光器模块PR。
2.存储电容器C1，接收所述感光器信号Vpr，使得所述电容器的第一板承载响应于所述感光器信号Vpr的电荷，从而响应于所述光传感器PD接收的光。存储电容器C1的第二板连接到A1的比较器节点(反相输入)。因此，比较器节点Vdiff的电压随着感光器信号Vpr的变化而变化。
3.比较器A1：这是将当前感光器信号Vpr和过去感光器信号之间的差与阈值进行比较的装置。该比较器A1可以在每个像素中，或在像素的子集(例如列)之间共享。在优选实施例中，比较器将与像素集成，其中每个像素具有专用比较器A1。
4.存储器：存储器50存储基于来自控制器60的采样信号的比较器输出。存储器可以是采样电路(例如开关和寄生或显式电容器)或数字存储器电路(锁存器或触发器)。在一个实施例中，存储器将是采样电路，并且每个像素将具有两个存储器。
5.条件复位电路R1∶复位条件是存储的比较器输出的状态和由控制器施加的复位信号的组合。
6.比较器A1和存储器50可以位于像素或外围电路(像素电路的外部)中。
外围电路包括控制器60，控制器60向比较器A1施加阈值信号，向存储器50发送控制信号，并在条件复位电路R1激活时选择时间。
外围电路还可以包含读出电路RO，该读出电路RO读出存储器50的内容，确定给定像素的光强度是否增大、减小或不变，并将输出(根据当前存储器值计算)发送给处理器。
更详细地说，比较器说明光是否增加/减少。对于OFF事件：如果Vdiff低于阈值Voff(在Vb上)，则比较器输出高，并且该电平被存储在存储器中。这意味着检测到下降。如果Vdiff不低于阈值，则比较器输出低：未检测到降低。
唯一的困难是，对于On事件，低比较器输出意味着增加，而高比较器输出意味着不改变；但是对于OFF事件，高比较器输出装置减小，而低比较器输出装置无变化。
因此，读出必须知道存储内容和应用的阈值。或者，如后文所述的优选实施例，存在用于开启的反相器，使得用于接通和断开的存储器极性相同。
在本发明的像素电路100的一个优选实施例中，每个像素电路100仅包含一个比较器，该比较器顺序地首先用作ON事件的比较器，然后用作OFF事件的比较器(或反之亦然)。
像素电路100和控制器60如下操作。
由光传感器PD接收的光强度的变化将转化为感光器信号Vpr的变化。当复位电路R1不导通时，Vpr中的变化也将反映在对比器A1的反相输入端(-)处的比较器节点处的电压Vdiff中。这是因为存储电容器C1上的电压保持恒定。
在由控制器60选择的时刻，比较器A1将存储电容器C1(Vdiff)的第二端处的比较器节点处的电压与施加到比较器A1的非反相输入(+)的阈值电压Vb(来自控制器)进行比较。
控制器60操作存储器50以存储比较器输出Vcomp。存储器50通常被实现为像素电路100的一部分，如图所示。然而，在其他实施例中，存储器50被实现为列逻辑电路的一部分(外围电路，每列一个像素阵列)。
如果存储在存储器50中的比较器输出的状态指示光强度发生变化并且来自控制器60的全局复位信号GlobalReset是激活的，则条件复位电路R1正在导通。这里“AND”表示逻辑AND运算符。在条件复位电路R1处于导通状态时，比较器A1(Vdiff)的反相输入处的比较器节点处的电压被复位到已知电平。因此，它将电流感光器信号Vpr存储在存储电容器C1上。
图2示出了根据另一实施例的像素电路100，其包括在感光电路PRC和存储电容器C1之间的可选采样电路SC。采样电路SC允许选择性地电子连接或断开感光电路PRC和存储电容器C1的输出Vpr。
采样电路SC由来自控制器60的采样信号25操作，以在同一时刻全局采样所有像素的感光器输出以避免运动伪影。通常，采样电路SC可以包括采样开关150、寄生或显式采样电容器C2和缓冲放大器A2。(注意，在所有实现中并不使用缓冲放大器A2。)
像素电路100和控制器60如下操作。
如在图1的先前实施例，光强度的变化将转化为感光器信号Vpr的变化。
同时，控制器60通过将来自感光电路PRC的感光器输出电压Vpr电连接到采样电容器C2来操作采样电路SC。然后，控制器60通过经由控制信号25打开开关150使感光器输出电压Vpr与电容器C2断开，从而进一步操作采样电路SC。
在控制器60指定的时间，比较器A1将比较器节点处的Vdiff与施加在其非反相输入上的阈值Vb进行比较。同时，控制器60操作存储器50以存储比较器输出Vcomp。如前所述，存储器50位于像素电路100或外围RO电路42的列逻辑电路44中，如后所述。
如果存储的比较器输出的状态指示光强度的变化并且全局复位信号GlobalRset(由控制器控制)是激活的，则条件复位电路R1正在导通，并且Vdiff复位到已知的电平，则采样C2上的电压被存储在存储器C1上。
如上所述，像素或像素阵列可以用作用于机器视觉应用的传感器。在机器视觉应用中，传感器的输出将直接或间接地流向数据处理器，其中算法可以计算传感器或由传感器分析的物体的位置和运动。
常规传感器输出包含表示撞击像素的光强度的像素值的图像。相反，这里的传感器输出那些已经检测到光强度变化的像素的地址(其中像素的地址对应于其行和列号)。给定像素处的该光强度变化被称为事件。更具体地，术语“事件”意味着表示和作为像素的光强度的函数的感光器信号已改变大于或等于由控制器施加的阈值的量。为了发送事件，发送相应像素的地址；以及指示光强度变化是正的还是负的位。
为了在时间上检测当前和先前实例之间的光强度变化，每个像素需要在时间上存储先前实例的光强度的表示。
更具体地，每个像素存储电压Vdiff，该电压Vdiff表示在该像素处发射的最后一个事件时的感光器信号与在该像素处的当前感光器信号之间的差。
为了在优选实施例中检测事件，首先将比较器节点处的Vdiff与一个阈值进行比较以检测光强度的增加(ON事件)，并且在(显式或寄生)电容器上采样比较器输出或将其存储在触发器中。然后将比较器节点处的Vdiff与第二阈值进行比较，以检测光强度的降低(OFF事件)，并且比较器输出在(显式或寄生)电容器上采样或存储在触发器中。全局复位信号被发送到所有像素，并且在每个像素中，该全局复位信号在逻辑上与采样的比较器输出进行AND处理以仅复位那些检测到事件的像素。然后，读出采样的比较器输出电压，并将相应的像素地址发送给接收器。
图3示出了包括像素100-1到100-6的二维阵列的传感器8。所示的传感器仅示出两行和三列，以避免混淆该图。实际上，传感器8将包括像素的m行(通常远大于2)和n列(通常远大于3)。二维阵列中的像素可以通过其地址来识别，该地址是像素的行号和列号。例如像素103-6具有行2(从上计数)和列3(从左计数)作为其地址。
控制器60控制像素100和诸如行选择电路40、读出电路42等其它部件，以及从阵列向处理器46传输数据。
在图示的例子中，行选择电路40被示出为控制器60的一部分。该行选择电路40选择一个或多个行子集。当选择一行像素100时，被选择行中的像素的比较器输出被传送到读出电路42。
读出电路42从像素阵列读取数据(存储的比较器输出)。通常，读出电路42将进一步将该数据编码成更有效的表示，然后传输到可以位于传感器芯片外部的某种接收器(通常是处理器的形式)，例如处理器46。
读出电路42被分成若干列逻辑电路44-1至44-n，其中有n列，从读出比较器输出确定相应像素的光强度是否增加、减少或保持不变。
控制器60优选在多个阶段操作传感器8(图4A和4B)如下所示：
1.光照变化综合：在该实施例中，在其它阶段期间，不需要额外的专用时间要求而继续进行变化的积分。
2.ON事件阶段的比较(图4A和4B中的218)：在每个像素中，比较器A1用于将集成的照明变化与ON阈值进行比较；结果存储在存储器50中。
3.OFF事件阶段的比较(图4A和4B中的220)：在每个像素中，比较器A1用于比较综合照明变化与OFF阈值；结果存储在存储器50中。
4.复位阶段(图4A和4B中的222)：每个像素电路100，其中存储的比较器输出的状态指示光强度的变化，通过使各个复位电路R1导通来复位。
5.读出阶段(图4A和4B中的224)：在行选择电路40的控制下，从像素阵列中读出存储器50中存储的比较结果。
一般来说，第一阶段(照明变化的综合)不需要具有明确的持续时间，因为变化的连续时间积分在其他阶段期间不停止。因此，可以省略该阶段的显式时间分配。
当然，ON和OFF事件的比较顺序可以颠倒。此外，根据像素实施例，读出阶段可以在复位阶段之前发生。
控制器60优选地控制阶段的相对定时并产生必要的信号以控制像素。如图4A和4B所示，几种像素操作模式是可能的。
固定的读出时间：图4A示出了其中每个操作阶段具有固定时间持续时间的固定时间模式的时序图。因此，帧速率是固定的。在所示示例中，每个Evt帧是100微秒长。
因此，读出阶段也具有固定的持续时间，但是要读出的事件的数目从事件帧到事件帧很可能会变化。为了保持读出阶段的合理的持续时间限制，必须限制在单个事件帧中可读取的事件数目214。如果要读出的事件的数目小于可能的最大数目，则将存在空闲阶段。
如果事件的数目大于在读出阶段可以读出的数目，则有三个选项：1)通知处理器46并丢弃附加事件；2)通知处理器46并仅针对当前帧放大读出阶段(在拉伸帧之后，传感器，即像素阵列，立即启动下一个事件帧)；或3)通知处理器46并放大当前帧的读出阶段，并且在拉伸帧之后，等待“正式”帧开始时间与先前事件帧开始时间保持同步。
图4A示出了示例性操作时间表，所述示例性操作时间表的帧速率为每秒10k个事件帧或每帧100微秒。
更详细地说，在每个事件帧212中，ON事件218的比较消耗10μs，OFF事件220的比较也消耗10μs。然后，在20μs阶段222期间复位像素。最后，在读出阶段224中，将事件从像素阵列210中读出，并在读出电路42中累积。读出相持续60μs。因此，在具体例子中，阶段的持续时间之和为10+10+20+60＝100微秒。
如在连续事件帧212-1、212-2、212-3中所示，在阶段224中的实际读出214消耗变化的时间量，尽管该阶段224被分配了60μs。例如对于第一事件帧212-1的阶段224-1中的事件读出214-1，消耗分配给214-1的60μs的一半以下。相反，对于第三事件帧224-3，事件214-3的读出消耗分配给224-3的60μs的三分之二。
可变读出时间：在可变读出时间模式中，如图4B所示，读出阶段224的持续时间取决于要发送的事件的数量。因此，一帧的总长度和因此帧速率是可变的并且取决于每帧的事件数。
更详细地说，如在前一个例子中，将事件帧212中的每一个划分为消耗10μs的ON事件218的比较，以及消耗10μs的OFF事件220的比较。事件复位阶段222在每个事件帧212中消耗20μs。另一方面，每个事件帧212的事件读出阶段224在长度上是可变的。因此，该阶段具有由需要从像素阵列210读出的事件数214指示的时间长度。
图5示出了根据本发明原理构造的像素电路100，该像素电路100是没有采样的优选实施例。
光传感器PD，例如光电二极管或光电晶体管或光有源区，被用于将撞击光9转换为电信号(即，指定为Iphoto的电流或电荷)。然后通过感光电路PRC将Iphoto转换为电压Vpr。在这个和所有其他像素实施例中，Vpr与光强的关系通常是对数的，但也可以是线性的。
优选地，在任一传感器实施例的一个或多个像素中的每一个中的感光器模块PR是对数感光器模块。对数感光器模块是一种感光器，该感光器被配置成将与撞击光传感器PD的感测表面的光的强度成比例的Iphoto电流转换为作为检测光的对数函数的信号。注意，尽管Vpr被选择为相对于Iphoto是对数的，但它可以被选择为与Iphoto和其它函数成比例。
从光电二极管产生的电流(Iphoto)到输出电压的对数转换是非常强大的，因为它允许将宽范围的输入电流映射到有限的电压范围。对数强度域中的差异的比较还具有这样的优点：它在数学上类似于比较归一化的差异；对比度的大多数定义基于归一化差异(例如，亮度比、Weber对比度或Michelson对比度)。比较对数强度域的差异还允许观察独立于背景照明的物体的反射率的差异。
存储电容器C1接收感光器信号Vpr，使得电容器的第一板承载响应感光器信号Vpr的电荷。存储电容器C1的第二板连接到比较器节点A1。在图示的实施例中，第二板连接到事件比较器A1的反相输入。因此，比较器节点Vdiff的电压随着感光器信号Vpr的变化而变化，从而随着光传感器PD接收的光而变化。
在比较阶段期间(例如，见图4A和4B)，复位电路R1的复位开关RS不导通，因此比较器节点的电压Vdiff是浮动的。因此，感光器信号Vpr的变化改变了浮动比较器节点Vdiff的电压，因为从像素100复位时起，存储电容器C1上的电压保持恒定。
为了比较ON事件，阈值电压Vb由控制器60设置为值Von(见图6)。因此，事件比较器A1将阈值电压Vb与Vdiff进行比较。控制器60还脉冲OnSel(用于开通选择)，其闭合ON事件采样开关S2。因此，比较器输出被反相器I1反相并在电容上采样。在图示的实施例中，该电容是输出电路OUT的ON事件输出晶体管NM2的寄生栅极电容。
为了比较OFF事件，偏置电压Vb被设置为值Voff(见图6)。因此，事件比较器A1将新的阈值电压Vb与Vdiff进行比较。控制器60还脉冲输出OffSel，其关闭OFF事件采样开关S1。因此，比较器输出在电容上采样。在图示的实施例中，该电容是输出电路OUT的OFF事件输出晶体管NM1的寄生栅极电容。
在复位阶段期间，阈值电压Vb被设置为电压电平Vreset(在Von和Voff之间的值，优选在Von和Voff之间的中间的值)，并且GlobalReset信号被控制器60激活。因此，如果检测到ON事件或OFF事件(使用OR门)且GlobalReset激活，则复位电路R1将关闭复位开关RS。
因此，仅复位已经检测到事件的那些像素。复位功能有利地允许检测到慢速运动，因为从帧到帧的小变化可以累积。
所示示例电路还补偿事件比较器A1中的任何偏移，因此有助于使像素阵列8中的像素100的响应(图3)在阵列上一致。通常，在像素阵列8内的那些像素100中，其中高电压电平存储在OFF事件输出晶体管NM1或ON事件输出晶体管NM2上，复位开关RS关闭。作为产生的电压跟随器配置的因此，存储电容器C1的第二端的Vdiff将在Vreset处解决加上比较器的任何偏移。因此，对阈值施加的校正现在被补偿事件比较器A1中的偏移。
在读出阶段期间，逐行读出像素阵列。因此，每个像素电路100等待控制器60一次激活其RowSelect(行选择)信号一行。
接下来讨论像素控制信号及其随时间的变化(时间线图)。
图6表示全局像素控制信号和局部像素信号的时间线。Vb、OnSel、OffSel和GlobalReset是像素阵列中所有像素的全局信号，而RowSelect是行(局部)信号。
更详细地说，示出了具有ON和OFF比较阶段的两个事件帧。具体地，在比较阶段218-1和OFF比较阶段220-1期间，阈值电压Vb在Von和Voff电平之间改变。由于感光器信号Vpr是恒定的，所以没有检测到任何事件。
在ON比较阶段218-2期间，阈值电压Vb被改变为Von。由于现在感光器信号Vpr处于较高电平，指示光传感器PD接收的光量已经增加，所以存储电容器C1(Vdiff)的第二端的电压也增加(如果变化足够大的话，则高于Von的电平)。因此，当控制器60也脉冲OnSel时，ON事件采样开关S2关闭并且ON信号存储在ON事件输出晶体管NM2的电容上(图5)。当RowSelect信号激活时，nRxOn线被拉低。
由于检测到事件，复位阶段还复位存储电容器C1上的电压。具体地，在复位阶段222-2中，阈值电压Vb被设置为中间电平Vreset。因为由于复位电路R1中的逻辑而使PixReset高，所以Vdiff被复位到Vreset，并且在存储电容器C1上存储新的电压。
图7表示另一像素电路100(图5)具有在感光器PR和存储电容器C1之间的采样电路SC。
这使得感光器信号Vpr能够在比较之前被采样。该配置确保了将相同的感光电压值用于ON和OFF事件的比较，避免了由于ON事件和OFF事件的比较中的Vpr的变化而可能的运动伪影。
更详细地说，在每个ON比较阶段218之前，来自控制器60的采样线被激活一段短时间以关闭采样开关150。这将感光器信号电压Vpr传送到存储电容器C1的板。然后，来自控制器60的采样信号线变为无效，使得采样开关150再次打开。因此，存储电容器C1的左板上的电荷是静态的，并且不会随着感光器信号Vpr的后续变化而改变。这种变化通常会导致场景的变化或传感器和场景之间的移动。
然后，执行ON比较阶段218和OFF比较阶段220两者。然后，针对不同阈值电压Vb的相应比较将相对于从感光器信号Vpr采样的相同电压发生。
图8表示另一像素电路100。这种设计导至较小的像素。
更具体地说，它只有一个输出线nRX，它代替了在前面的例子中使用的两个输出线nRXon和nRXoff(图5和7)。这种改变还允许在复位电路R1中去掉或门(见图5和7)，以及NM2的移除，输出晶体管之一(见图5和7)在输出电路OUT中。对于这两个事件极性，输出信号nRx为活动低电平。复位电路R1使用GlobalReset信号和采样的比较器输出来确定它是否导通。
在该实施例中，优选分别具有用于每个事件极性的复位阶段(即，用于OFF事件的一个复位阶段和用于ON事件的另一个复位阶段)。
更详细地说，与前述实施例类似，感光器输出电压Vpr的变化改变浮动节点Vdiff的电压。
对于因为ON事件的比较，偏置电压Vb被设置为电压电平Von。比较器比较Vb和Vdiff。通过脉冲OnSel，比较器输出在晶体管NM1的寄生电容上被采样。
对于由ON事件引起的复位，Vb被设置为电压电平Vreset(在Von和Voff之间的中间)，并且GlobalReset信号被激活。在将高电压电平存储在输出晶体管NM1上的那些像素中，复位开关RS关闭，因此Vdiff将在Vreset加上比较器的偏移处解决(settle)。
对于逐行读出的ON事件，RowSelect信号一次被激活一行。如果输出晶体管NM1的栅极电容存储高电压电平，则输出晶体管NM1导通，并且相应的请求线nRx被下拉。该活动低(active-low)请求被锁存在外围读出电路42中。
对于OFF事件的比较，控制器60将偏置电压Vb设置为电平Voff。通过脉冲OffSel，该新的比较器输出在输出晶体管NM1的寄生电容上被采样。
对于复位OFF事件，Vb被设置为电压电平Vreset(在Von和Voff之间的中间)，并且全局复位信号被激活。在将高电压电平存储在输出晶体管NM1的栅极上的那些像素中，复位开关RS关闭，因此Vdiff将在Vreset加上比较器的偏移处解决。
对于逐行执行的OFF事件的读出，RowSelect信号每次对一行激活。如果输出晶体管NM1的栅极电容保持高电压电平，则其导通，并且输出线nRx被下拉。该活动低(active-low)请求被锁存在外围读出电路42中。
图9表示全局像素控制信号和局部像素信号的时间线。Vb、OnSel、OffSel和GlobalReset是全局信号；RowSelect是行(局部)信号。
在该示例中，ON比较阶段与读出阶段218组合。在此期间，阈值电压Vb增加到Von，并且RowSelect激活。但是，在图示的示例阶段218-1中，没有检测到ON事件。类似地，OFF比较阶段与读出阶段220组合。在ON复位阶段219和OFF复位阶段221期间，GlobalReset信号是激活的。
在ON比较和读出阶段218-2之前，Vpr由于在光传感器PD上增加的光而增加，并且因此Vdiff增加到大于Von的值。因此，事件比较器A1记录一个ON事件，当OnSel再次变高和变低时，该ON事件存储在存储器中，从而PixEvt变高。当行选择信号RowSelect激活时，ON事件被传送到输出线nRx上的外围电路。在ON复位阶段219-2期间，当PixEvt和全局复位同时为高时，PixReset变为高，使得像素在复位阶段219-2期间被复位。
图10表示另一像素电路100。这种设计导致更小的像素，其中存储功能不位于像素电路100中，而是读出电路42的一部分。
更详细地，复位电路R1使用RowSelect信号和来自读出电路42的输出确认信号ColAck来确定是否关闭复位开关RS和复位存储电容器C1。ColAck和RowSelect的逻辑AND用于设置锁存器以存储PixReset信号，来自控制器的全局信号(ResetPixReset)用于在复位阶段期间复位锁存器。存储ColAck和RowSelect的AND并且不直接使用它来控制开关RS的原因是使得阵列中的所有像素可以同时复位。如果没有锁存器，则在读出阶段期间需要逐行地进行复位。
来自读出电路42的ColAck信号在列中的所有像素之间共享。因此，必须逐行地激活像素复位。在操作中，行选择电路通过使相应的RowSelect激活而选择一行像素，并且通过输出晶体管NM1将相应的比较器输出传送到读出电路。然后，控制器60操作读出电路42中的存储器以存储所传送的比较器输出；读出电路42的列逻辑电路确定是否存在光强度的增加或减少。在列逻辑电路检测到光强变化的列中，ColAck信号被激活。然后，控制器向阵列210的事件比较器A1的正输入施加复位电压Vreset。连同仍然激活的RowSelect信号，激活的ColAck信号复位相应的像素。
此外，在该像素电路中，比较器输出的极性在ON事件(上升光电平)和OFF事件(下降光电平)之间是不同的。因此，在读出电路42中考虑用于ON事件和OFF事件的比较器输出的极性差异。这意味着输出信号nRx对于ON事件为活动高(active high)，对于OFF事件为活动低。
图11表示全局像素控制信号和局部像素信号的时间线。Vb、OnSel、OffSel和ResetPixReset是全局信号，而RowSelect是行方向的局部信号，ColAck是列方向的局部信号。
在该示例中，ON比较阶段与读出阶段218组合。在此期间，阈值电压Vb增加到Von，并且RowSelect激活。但是，在图示的示例阶段218-1中，没有检测到ON事件。类似地，OFF比较阶段与读出阶段220组合。在两个比较和读出阶段之后，存在复位阶段224。
在ON比较和读出阶段218-2之前，Vpr由于在光传感器PD上增加的光而增加，并且因此Vdiff增加到大于Von的值。因此，当行选择信号RowSelect激活时，事件比较器A1记录一个ON事件，该ON事件在输出线nRx上传送到外围电路。由于相应的列逻辑电路注册一个事件，它将激活ColAck信号。在ColAck和RowSelect同时激活的所有像素中，PixReset信号变高，使比较器的输入和输出短路。在复位阶段224-2期间，控制器向Vb施加Vreset，并且由于PixReset仍然高，所以像素被复位。然后，控制器将设置ResetPixReset高一段时间，以将所有PixReset信号设置回低值。
图12表示另一像素电路100。这种设计允许更快地操作。它包括每个像素的两个事件比较器，这使得能够同时进行ON事件和OFF事件比较。此外，存储器位于像素电路中，并且在相应的比较器输出处由两个采样电路实现。如图5所示，存储器是具有寄生电容的开关的组合，这里S4和NM2的寄生栅极电容，也是S5和NM1的寄生栅极电容。比较器输出被采样并存储在两个输出晶体管NM1和NM2的寄生栅极电容上。
更详细地，OFF事件比较器A1接收提供给整个像素阵列210的Voff阈值电压。类似地，ON事件比较器A2接收提供给整个像素阵列210的Von阈值电压。
当来自控制器60的采样比较信号SampleComp激活时，比较器A1、A2的输出分别被传送到OFF事件输出晶体管NM1和ON事件输出晶体管NM2的栅极电容。然后，当RowSelect为活动(即，NM3为导通)时，通过输出线nRXon和nRXoff读取它们的状态。
响应于ON事件或OFF事件，复位电路复位存储电容器C1(Vdiff)的第二端的电压，该电压被提供给OFF事件比较器A1的反相输入端和ON事件比较器A2的非反相输入端。在这种情况下，Vdiff被复位到阵列210上的公共电压。
图13示出沿着来自阵列210的列的两个代表性像素100。沿ResetLevel、ColAck和VSF线的椭圆(点)表示沿列存在其他像素。从图中省略它们以避免杂乱。该图的像素电路实施例导致更小的像素。原因是比较器功能不位于像素电路100中，而是成为读出电路42的一部分(在图中底部示出)。
该像素电路100包括在感光器电路PRC与存储电容器C1之间的采样开关150，感光器电路PRC的输出为Vpr。这允许感光电路PRC和存储电容器C1的输出的选择性电子连接。采样开关150由来自控制器60的线路25上的采样信号采样来操作。采样信号被控制器60激活以在同一时刻全局采样阵列210中所有像素100的感光器输出。这避免了运动伪影。
具体地，感光器信号Vpr作为VPRS被传送到存储电容器C1。然后，缓冲器27在存储电容器C1(Vdiff)的第二端保持电压。通常，缓冲器27将存储电容器C1的第二端子的电压(Vdiff)传送到外围电路。缓冲器由来自行选择电路60的RowSelect信号启动。
像素电路100使用源跟随器作为缓冲器27。这将存储电容器C1的第二端上的电压传送到阵列210中用于像素列的读出电路42。电压Vdiff在线路Vout上提供给读出电路42的读出电路到端子VSF。在此，事件比较电路A1将Vdiff与Von电平和Voff电平进行比较。该列比较器A1位于读出电路42中。
在缓冲器27中，晶体管M1充当单位增益源跟随器输入晶体管(源跟随器的电流源是读出电路42的一部分)，而M2是用于使能源跟随器的开关。读出电路42被实现为使得每个像素列都有单独的ColAck信号。ColAck信号仅在检测到事件的列中激活(图37表示该读出电路42)。
复位晶体管N1由RowSelect信号控制。复位晶体管N2由输出确认信号ColAck控制。因此，当这两个信号都激活时，复位晶体管N1和N2导通，并且存储电容器C1(Vdiff)的第二端的电压被复位为在复位线路上提供给像素列210的复位电压从读出电路42复位电平。因此，晶体管N1和N2的串联连接形成用于信号RowSelect和ColAck的逻辑AND函数。
应当理解，该实施例也可以在没有在感光电路PRC和存储电容器C1之间的采样开关150的情况下实现。
图14示出沿着来自阵列210的列的两个代表性像素100。如图13所示，沿着ResetLevel、ColAck和VSF线的椭圆(点)表示存在其他像素，省略以避免混淆该图。该设计也集中在小像素区域上。与前一实施例一样，比较器功能不位于像素电路100中，而是成为读出电路42的一部分。然而，与图13的实施例不同。该实施例使用缓冲器27中的电容放大器来放大存储电容器C1的第二端的电压Vdiff，具体而言，放大自上次复位像素以来的电压变化。
如前所述，Vdiff在放大之前从VPRS获得(图13)。放大Vdiff的变化有助于检测感光器信号Vpr中的小变化。缓冲器27的增益由C1的电容除以C2的比率给出。应当注意，电容器C2可以是显式的或寄生的。除了该乘以电容的比率，图14中所示的像素的实施例和功能与图13相同。
在缓冲器27中，晶体管M1是PFET输入晶体管，因此缓冲器是放大器，而M2是使能放大器的开关。读出电路42被实现为使得每个像素列都有单独的ColAck信号。ColAck信号仅在检测到事件的列中有效。图837表示这种读出电路42。
节点Vdiff的复位由行选择开关RS(由RowSelect信号控制)和列复位开关CS(由输出确认信号ColAck控制)控制。
在图13中(连同图35)，复位电平由读出电路中的源跟随器和A1确定。实际复位电平将包含源跟随器的偏移和A1的偏移，因此这两个偏移将被补偿。
在图14中(连同图37)，A1被实现为两个比较器(一个用于ON，一个用于OFF)，因此不可能将两者都包括在复位电平中。但是因为图14中的缓冲器具有比单体大得多的增益，比较器的偏移实际上并不重要，因此它可以不被补偿。
再次类似于图13，图14还可以在没有采样开关150的情况下在感光电路PRC和存储电容器C1之间实现。
现在，讨论将转移到覆盖上述像素电路实施例的各方面/部分的可能示例实施方式。应当理解，在大多数情况下，上述电路中的任何一个可以具有以下描述的特征中的任何一个或多个。
图15示出了采样电路SC的紧凑实施例，如在像素实施例中可能使用的那样(图2、7、13和14)。采样电路SC使用nFET晶体管T10作为开关，源极跟随器由两个pFET晶体管T11和T12实现，其中T11是源极跟随器的电流源，而T12是源极跟随器输入晶体管。pFET晶体管T12的栅极电容形成采样电容器。
图16和17示出了用于检测照明中的小变化的比较器A1的各种实施例。必须检测几毫伏量级的电压的小变化。这意味着比较器，如图1-3、5、7、8、10、12-14所示的电路将需要相当大的增益(优选大于10dB或20dB，并且最好约为40dB或更大)。
图16示出了将提供必要增益的两级比较器。还示出了复位开关RS，其在本实施例中不连接比较器的输入和输出；相反，它将输入连接到比较器的第一级的输出。
图17示出了基于操作跨导放大器的比较器A1的另一种实现方式。它使用具有双晶体管输出级的五个晶体管作为比较器。其优点是比较器的速度不依赖于参考电压，因此在阈值范围内具有更大的自由度。此外，偏移补偿可能比使用使用两个晶体管两级比较器的前述实例中的一个更好。
复位开关和复位电路是所有实施例中像素电路的一部分。其实施例如下。
复位开关可以实现为NMOS晶体管、PMOS晶体管或包括NMOS和PMOS晶体管的完整传输栅极。根据所使用的开关的类型，复位信号的极性对于NMOS晶体管是活动高的，对于PMOS晶体管是活动低的，并且对于传输栅极是高极性和低极性的。如果复位信号被称为PixReset，则认为是活动高，如果它被称为nPixReset，则认为是活动低。
图18表示图5、7和12中像素电路的复位电路的实现。用于复位信号产生的AND-OR组合用于图5、7和12中所示的电路。图18中所示的AND-OR组合电路。可以实现用作复位开关的NMOS晶体管。ON和OFF是采样的比较器输出。如果例如ON是高电压电平，则开关S1导通而S3不导通。因此，在这种情况下，在PixReset上的电压将跟随GlobalReset的电压。如果控制器将GlobalReset设置为高电压电平，则复位NMOS晶体管导通，并且比较器复位。
如果ON和OFF都低，则S1和S2都不导通，但S3和S4都导通。因此，PixReset与地相连，因此复位晶体管不导通。
图19示出了使用PMOS复位晶体管的复位的替代实施方式。例如，如果电压电平ON高，则NM1导通。如果控制器60将GlobalReset设置为高电压电平，则NM3也导通，并且nPixReset上的电压将被拉到地，因此PMOS复位晶体管导通。当控制器60将GlobalReset设置为低电压电平时，在nPixReset和接地之间不再存在电流路径。然后，PM1中的偏置电流(由PM1的栅极上的偏置电压控制)将缓慢地将nPixReset拉到电源。如果ON或OFF都不是高电压电平，则PM1中的偏置电流将在电源处保持nPixReset，因此复位晶体管不导通。
图20表示复位电路的又一实施方式。该版本将逻辑功能集成到实际复位开关中。这允许更紧凑的实现。如果ON或OFF是高电压电平并且GlobalReset(由控制器60控制)是高的，则比较器输入之间的路径是导通的。
图21示出用于图8的像素实施例的复位电路的实现。这里，NMOS晶体管充当复位开关。PixEvt是采样的比较器输出。如果PixEvt是高电压电平，则开关S1导通而S2不导通。因此，在这种情况下，在PixReset上的电压将跟随GlobalReset的电压。如果控制器将GlobalReset设置为高电压电平，则复位NMOS晶体管导通，并且比较器复位。
如果PixEvt低，S1不导通，但S2导通。因此，PixReset与地相连，因此复位晶体管不导通。
图22表示复位电路的实现。该电路使用PMOS复位晶体管。如果电压电平PixEvt高，则NM1导通。如果控制器将GlobalReset设置为高电压电平，则NM2也导通，并且nPixReset上的电压将被拉到地，因此PMOS复位晶体管导通。当控制器将Global Reset设置为低电压电平时，在nPixReset和接地之间不再存在电流路径。然后，PM1中的偏置电流(由PM1的栅极上的偏置电压控制)将缓慢地将nPixReset拉到电源。如果PixEvt是低电压电平，PM1中的偏置电流将保持nPixReset在电源处，因此复位晶体管不导通。
图23表示将逻辑功能集成到实际复位开关中的复位电路。这允许更紧凑的实现。如果PixEvt是高电压电平且GlobalReset(由控制器控制)是高的，则比较器输入和输出之间的路径是导通的。
图24示出与图中所示的像素电路兼容的复位电路实现的另一种实现方式。10。
这里，当RowSelect和ColAck(ColAck是从列逻辑电路到图10中的像素的信号)同时是高的时候，节点nPixReset被拉到地并且该低电压电平被保存在(显式或寄生的)电容器CR上，并且因此连接比较器的输入和输出的开关导通。在整个阵列中完成读出之后，已经产生事件的所有像素将在地面上具有nPixReset并且因此被复位。然后，控制器将信号ResetPixReset设置为低电压电平，并且MP1导通，将nPixReset拉到电源。通过在复位阶段控制复位像素复位的电平，可以控制像素复位的上升斜率。
在图24中所示的实施例中，使用电容器来实现用于PixReset信号的锁存器(节点并非一直被驱动)。或者，两个交叉耦合的反相器可以用作锁存器，如图25所示。
在优选实施例中，像素使用对数前端以允许高动态范围和对时间对比的敏感性而不是时间差异。如果采用负反馈电路，则可以实现对照明变化的快速响应。
图26表示具有反馈的基本对数感光器PR。它使用光电二极管PD作为光传感器。感光器电路PRC包括反相放大器和在反相放大器的输入和输出之间连接有对数电流-电压关系的电路元件M1。反相放大器确保光电二极管PD上的电压几乎保持恒定。
图27示出感光器PR的优选实施例。NMOS晶体管用作反馈元件，公共源放大器用作反相放大器。在对数感光器和电容器之间，源跟随器可用于在像素复位期间将前端与电压瞬变隔离。源极跟随器还允许对输入信号进行低通滤波，从而减少综合噪声。
图28和29示出使用两个NMOS反馈晶体管的另外两个选项(图28)或PMOS反馈晶体管(图29)。
在图5或12中所示的像素读出电路RO中。列请求行nRxOn和nRxOff在同一列中的所有像素之间共享。如果RowSelect激活，并且在NM2的寄生电容器上存储高电压，则nRxOn被拉低以向数据读出电路发出ON事件信号。如果在NM2上存储低电压，则NM2不导通，因此nRxOn保持高。
对于图8和10中所示的像素电路，读出电路RO的列请求线nRx在同一列中的所有像素之间共享。如果RowSelect有效，并且在NM1的寄生电容器上存储高电压，则nRx被拉低以向数据读出电路发出事件信号。如果在NM1上存储低电压，则NM1不导通，因此nRx保持高。
控制器60产生对像素的控制信号的必要波形，并且在比较器的输入处控制电压Vb，并且产生用于控制列逻辑电路的必要波形。在许多情况下，控制器60还将这些波形同步到外部定时基准。
控制器60可以集成在与像素电路相同的传感器集成电路(IC)上，或者使用例如微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)集成在单独的IC中。控制器可以通过有限状态机或使用微控制器核心来实现。
控制器60的一部分是行选择电路。行选择电路通过一组RowSelect信号在一行中的每个像素中选择并使能OUT。行选择电路具有允许从一行移动到下一行的时钟输入。行选择电路的输出是一组RowSelect信号，每行像素一个。选择行意味着该行的RowSelect信号是激活的(高电压电平)，而所有其他行的RowSelect信号是非激活的(低电压电平)。激活的RowSelect信号使那些已经采样了“高”比较器输出的像素能够通过改变在列中的所有像素之间共享的信号线的状态来产生列请求。
行选择电路包括编码当前所选行的地址并将该地址输出到数据读出电路的电路。
行选择电路可以包含在扫描期间以跳过行的方式配置的可能性。该特征用于实现所谓的感兴趣区域(ROI)读出。
控制器60使用软件或硬件来实现，如有限状态机，该有限状态机首先将Vb(第一比较器输入)设置为第一阈值电压(Von)，然后在一个短时延设置信号OnSel为逻辑高以将反相比较器输出电连接到ON节点。然后在另一个延迟之后，控制器(硬件或软件)设置为低逻辑以断开从ON节点输出的反相比较器。然后，它将Vb设置为第二阈值电压(Voff)。在小暂停之后，软件将信号输出设置为逻辑高以将比较器输出电连接到OFF节点。在一个短的延迟之后，它再次将偏置为逻辑低以断开来自OFF节点的比较器输出。然后，它将Vb设置为复位电压Vreset。在延迟之后，它将信号全局复位设置为逻辑高以将电容器的第二端子电连接到复位电平。在另一个延迟之后，软件将GlobalReset设置为低逻辑以从复位电平断开电容器的第二端子。
然后，控制器将第一行选择线设置为逻辑高，以将第一行中的像素的存储比较器输出连接到读出电路，并且向读出电路发送信号以开始从第一行发送事件。当读出电路完成时，控制器将第一RowSelect线设置为逻辑低，并将第二RowSelect线设置为逻辑高。
对所有行进行处理直至用尽，即，控制器已读取所有行的存储比较器输出。
当控制器完成读取所有存储的比较器输出时，它可以在短延迟之后通过再次将Vb设置为第一阈值电压来重新启动序列。在DVS数据采集期间重复该处理。
或者，控制器可以等待外部定时参考信号而不是直接重新启动序列。该外部定时参考信号可以来自处理器。
下面描述读出电路。
它是最基本的形式，读出电路读取阵列210中所有像素100的比较器输出，并为每个帧向接收器发送一次三值(增加、减少或不改变)图像。
图30示出用于像素阵列210的读出电路。
为了读取整个像素阵列210的比较器输出，逐行扫描阵列210。这意味着行选择电路40(控制器60的一部分)选择一行像素，这意味着这些像素中的比较器的输出(或比较器的存储输出，取决于像素实施例)连接到通向读出电路42的相应列逻辑电路44的列行。列逻辑电路44确定相应像素是否发生变化，然后用列扫描电路48扫描相应的列逻辑电路44的输出。列扫描电路48连续地将列逻辑电路输出连接到去往处理器46的输出数据线。
接下来描述基于事件的读出。
为了在处理器46中允许更有效的读出和处理，数据读出电路可以更有效地对数据进行编码。在这种类型的像素电路中，期望数据是稀疏的，这意味着每个事件帧中只有很小百分比的像素已经登记了变化。
稀疏的数字信号可以容易地被进一步压缩。压缩多维数字数据的常用方法是对该数据中的数字信号的坐标/地址进行编码。数字事件的这种编码也称为基于事件的读出。基于事件的视觉传感器中的常用编码方案是将数字信号编码为阵列中像素的行和列坐标和时间戳的元组，从而编码数字事件的发生的地点和时间。这意味着，在一个实施例中，仅传输已经检测到光强度变化(已经发生的事件)的那些像素的地址。
图31示出了一个读出电路，它允许读出发生了事件的那些像素的地址。为此，一行一行地输出相应行的地址，以及由列逻辑电路检测到事件的所有列的地址。
该实现采用移位寄存器70。每个像素列具有一个对应的移位寄存器级72-1，72-2，72-3。
每个移位寄存器级72-1、72-2、72-3都可以绕过。旁路由相应列逻辑电路44-1、44-2、44-3的EventDetect输出控制。如果EventDetect输出低，则绕过相应的移位寄存器级72-1、72-2、72-3。如果EventDetect输出高，则移位寄存器级72-1，72-2，72-3不被旁路。
控制器60通过设置StartPulse高和脉冲时钟来启动事件的读出。这在第一级72-1的输入多路复用器74-1处接收。输入多路复用器在d输入中提供到D-锁存器78-1。D-锁存器78-1输出Q被提供给输出多路复用器76-1。时钟输入在D-锁存器78-1的时钟输入处接收。
然后，控制器再次设置StartPulse低。未旁路的第一移位寄存器级(例如，其中对应的EventDetect为高)将在其输出处存储高电压电平。这将相应列逻辑电路的地址+事件极性连接到通信总线。接收器现在可以读取这个地址。在下一个时钟脉冲处，高电平移动到下一个移位寄存器级72，该移位寄存器级72未被旁路，并且相应的地址+事件极性连接到通信总线。这一直持续到高电平移动到未被旁路的最后移位寄存器级72。该级的输出告诉使用线路80的控制器60该行的读出已经完成。然后，控制器60激活下一行的RowSelect信号，将行地址编码器40连接到通信总线并重新启动移位寄存器。
接下来描述列逻辑电路。
参考图32，用于像素输出nRxOn和nRxOff(见图5或7或12)或仅nRx(见图10)根据像素电路实施例，列逻辑电路44通过检查像素输出的状态(逻辑低或逻辑高)是否对应于表示增加或减少的值来确定对应像素处的光强度是否未改变、增加或减少。如果列逻辑电路44检测到增加或减少，则通知数据读出电路。
列逻辑电路的输出是当检测到事件时有效的信号(EventDetect)、对应于事件的极性的信号和编码相应列的列地址的数字。(高端极化度意味着光强度的增加)。由于列地址仅是每列的固定数字，所以在图中未示出实现。
列逻辑电路实现的一部分是用于每个请求线的偏置晶体管(图32中的92、94)。这些偏置晶体管将请求线(nRxOn和nRxOff)保持在逻辑高电平，只要没有像素拉动它们。
当两条请求线(nRxOff或nRxOn)中的一条处于低电压时，发出事件发生的信号。列逻辑电路在由来自控制器60的锁存时钟信号提供的时间将两条请求线的NAND存储在触发器96中，并将nRxOff的状态存储在触发器98中。
图33示出了用于图8的像素电路的列逻辑电路实现。
这里，当向像素比较器施加Von时，或者当向像素比较器施加Voff时，当请求线nRx低时，或者当请求线低时，检测到事件。在控制器的命令下，请求线的反相状态被存储在Flip-Flop中。EventDetect是触发器输出的逻辑OR。
图34示出了用于图10的像素电路图的列逻辑电路实现。
除了输出信号EventDetect和EventPolity，用于图10的像素实施例的列逻辑电路必须在检测到事件之后与RowSelect信号一起产生去往像素的信号来复位像素。在所提出的实现中，该ColAck信号等效于EventDetect信号。
当向像素比较器施加Von时，当请求线nRx高时，或者当向像素比较器施加Voff时，当请求线低时，则检测到事件。
由于图10的像素电路实施例10不包含像素中的存储单元，列逻辑电路包含存储单元。
图35示出了用于图13中所示电路的像素的列逻辑电路实现。
这里，列逻辑电路包括比较器A1。像素输出表示Vdiff的信号，在列逻辑电路44中进行用于检测事件的比较。
使用比较器/放大器Comp1完成像素复位。当一个像素应该被复位时，相应列中的EventDetect信号是高的。控制器60将Vb设置为Vreset并且设置DoReset高，使得ColAck高。在RowSelect_m为高的行中，电压Vdiff随后被短路到Vcomp，因为根据R1中的两个晶体管都导通。然后，由放大器Comp1(A1)和源极跟随器形成的反馈电路将确保Vdiff在使VSF等于Vreset的电压下解决。
图36示出了用于图13中所示像素电路的信号时间线和图35的列逻辑电路的实现。
图37示出了用于图14的像素电路的列逻辑电路实现。
列逻辑电路包括两个比较器A1-1和A1-2。这两个比较器允许同时将Vout与两个阈值进行比较。在由控制器60控制的信号锁存器处，比较器输出被存储在触发器112、114中。比较器的逻辑OR与来自控制器60的信号DoReset一起输出确定像素是否通过信号ColAck复位。

Claims (20)

1.一种传感器，包括：
像素阵列，每个像素包括：
检测入射光的光传感器，感光器信号是光传感器接收的光量的函数；
存储电容器，其中所述电容器的第一板承载来自所述感光器信号的电荷，并且所述电容器的第二板连接到比较器节点，其电压随着所述感光器信号的变化而变化；和
一个或多个比较器，其将所述比较器节点的电压与一个或多个参考电压进行比较，以评估所述感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。
2.根据权利要求1所述的传感器，还包括在所述光传感器和所述存储电容器之间的感光电路。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述感光电路提供对来自所述光传感器的电流的对数响应。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电容器的所述第二板直接连接到所述比较器。
5.根据权利要求1所述的传感器，还包括用于复位所述比较器节点的电压的复位电路。
6.一种传感器，包括：
像素阵列，每个像素包括：
光传感器，指示由光传感器接收的光量的感光器信号；
存储电容器，其携带来自所述感光器信号的电荷；和
仅一个比较器，其将所述比较器节点的电压与一个或多个参考电压进行比较，以评估所述感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。
7.一种传感器，包括：
像素阵列，每个像素包括：
光传感器，感光器信号是由光传感器接收的光量的函数；
存储电容器，其携带来自所述感光器信号的电荷；和
比较器，其比较从所述存储电容器到一个或多个参考电压的电压，以评估所述感光器信号相对于一个或多个阈值的变化，并向所述存储电容器提供复位电压。
8.一种传感器，包括：
像素阵列，每个像素包括：
光传感器，感光器信号是由光传感器接收的光量的函数；
存储电容器，其携带来自所述感光器信号的电荷；和
比较器，其将所述存储电容器的电压依次与两个参考电压进行比较，以评估所述感光器信号相对于相应的ON阈值和OFF阈值的变化。
9.一种传感器，包括：
像素阵列，每个像素包括：
光传感器，感光器信号是由光传感器接收的光量的函数；
存储电容器，其携带来自所述感光器信号的电荷；和
一个或多个比较器，其比较来自所述存储电容器的电压以评估所述感光器信号相对于一个或多个阈值的变化；和
至少一个存储器结构，用于存储所述一个或多个比较器的输出。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述存储器结构是开关和寄生电容。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的传感器，还包括用于将所述光传感器连接到所述存储电容器的开关。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的传感器，还包括复位电路，用于响应全局复位信号复位所述存储电容器。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的传感器，还包括复位电路，用于响应全局复位信号并且依赖于存储器结构的内容来复位所述存储电容器。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的传感器，其中所述光传感器包括光电二极管、光电晶体管或光电活性区域。
15.一种传感器，包括：
像素阵列，每个像素包括：
光传感器，感光器信号是所述光传感器接收的光量的函数，以及
存储电容器，其携带来自所述感光器信号的电荷；
由快门信号控制的开关，所述快门信号将光传感器连接到存储电容器；和
一个或多个比较器，其将所述存储电容器的电压与一个或多个参考电
压进行比较，以确定所述感光器信号中的变化是否通过一个或多个阈值。
16.根据权利要求15所述的传感器，其中所述一个或多个比较器位于所述像素阵列外围的电路中。
17.根据权利要求15所述的传感器，其中所述一个或多个比较器被分配给所述像素的列。
18.一种传感器，包括：
像素阵列，每个像素包括：
光传感器，感光器信号是由光传感器接收的光量的函数；和
存储电容器，其携带来自所述感光器信号的电荷；和
读出电路中的一个或多个比较器，其将所述像素的存储电容器的电压与参考电压进行比较，以确定所述感光器信号中的变化是否通过一个或多个阈值。
19.一种传感器，包括：
一个或多个像素，所述一个或多个像素中的每一个包括：
光电二极管，其能够将入射到所述光电二极管上的光转换为电流，其中所述电流的幅度与光的强度成正比；
感光器电路，所述感光器电路连接到所述光电二极管，使得所述感光器电路能够从所述光电二极管接收所述电流，并且其中所述感光器电路被构造成使得所述感光器电路能够将其从所述光电二极管接收的所述电流转换为电压并输出所述电压作为所述感光器电路的输出；和
存储电容器；
至少一个具有第一和第二输入的比较器，其中所述第一输入可以设置为阈值电压，并且其中所述电容器电子连接到所述第二输入，使得所述电容器在所述感光电路的输出和所述比较器的所述第二输入之间；
至少一个存储器，其以电子方式连接到比较器的输出端，使得由比较器输出的值可以被分配并存储在存储器中；和
复位电路组件，其被配置成使得其可选择性地操作以将比较器的第二输入处的电压设置为预定义的参考电压；和
控制器，其被配置为将一个或多个阈值电压施加到所述比较器的所述第一输入端，并且在所述一个或多个阈值电压已经施加到所述比较器的所述第一输入端之后，启动所述存储器以存储由所述比较器输出的所述一个或多个数值，并且在所述存储器已存储由所述比较器输出的所述数值之后，启动所述复位电路以将所述比较器的所述第二输入端处的电压设置为预定参考电压。
20.一种传感器的操作方法，所述方法包括：
阵列的像素的光传感器检测入射光；
产生感光器信号，所述感光器信号是由所述感光器接收的光量的函数；
使用存储电容器来存储对应于所述光传感器先前检测到的光的电荷，其中所述电容器的第一板承载来自所述感光器信号的电荷，并且所述电容器的第二板连接到比较器节点，所述比较器节点的电压随着感光器信号的变化而变化；和
将所述比较器节点的电压与一个或多个参考电压进行比较以评估所述感光器信号相对于一个或多个阈值的变化。
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