CN111770245B - 一种类视网膜图像传感器的像素结构 - Google Patents
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Abstract
一种类视网膜图像传感器的像素结构，涉及集成电路领域，解决现有方法对每个像素都采用异步实时检测光强变化，并采用AER事件读出方式，容易产生延时，从而导致发生事件与对应的时间戳不匹配，产生运动伪影；且容易受到晶体管的漏电流影响产生虚假事件，并且不能将其除掉等问题。自适应光感知单元用于完成光信号向电信号的转换，输出电压信号；采样比较单元用于完成采样和比较功能以确定信号极性，当光强变弱时产生OFF信号，光强变强时发出ON信号；信号处理单元对采样比较单元输出的极性信号进行存储，并按指令进行信号处理完成降噪；本发明消除了运动伪影，舍弃了传统动态视觉传感器的异步读出方式，在输出事件的同时也可以输出灰度图像。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种类视网膜图像传感器的像素结构。
背景技术
传统的图像传感器是以帧的方式进行成像，相对于前一帧而言，无论像素是否发生变化，都要对所有像素点进行曝光、采样、放大等一系列处理，存在大量的重复工作，具有较高的数据冗余。而且由于帧频的限制，在帧与帧的间隔中，高速运动物体的图像信息容易丢失。
现如今主流的成像器件为CCD和CMOS图像传感器，它们的像素结构简单，尺寸较小、利于提高图像分辨率，并且以帧的成像模式输出图像使输出的图像也比较直观能较好的取悦人眼。但是基于帧的成像模式也存在以下固有的不足：
(1)相对于前一帧而言，无论像素是否发生变化，都要对所有像素点进行曝光、采样、放大等一系列处理，存在大量的重复工作，具有较高的数据冗余；
(2)由于帧频的限制，对于高速运动物体的拍摄存在较大的延迟，对于变化很快的图像无法获取其详细的图像信息，在高速目标拍摄中需要采取更高帧频和辅助光源，这使得采集与处理模块间的传输瓶颈更加突出；
(3)由于传统的图像传感器采用光电流累积—电压读出的采样方式，其动态范围受到可积分电压，储存节点电容等因素的影响，一般在65dB～75dB，而自然界日常光照的动态范围可达到100dB以上，传统的采样方式已经不能满足动态范围的要求，而随着工艺尺寸的进一步缩小，对动态范围的限制越来越大。
因此传统以“帧”为基础的传输方式，无法实现大数据的高速读出和实时处理，这限制着千万级像素图像传感器的发展。同时，传统的图像传感器动态范围小，受环境光强影响较大，不能满足对于高动态范围、光照强度剧烈变化环境的要求。
针对上述需求，目前，国内外也有很多相关的解决方案。
分辨率为128×128，动态范围120dB，功耗30mW响应光强变化的异步视觉传感器提出一种基于光强变化而产生目标信息事件流的动态视觉传感器(dynamic vision sensor，DVS)。其像素结构如附图1所示，该像素结构由三部分组成，第一部分是一个电流-电压对数转换的光感应电路，用于感受光强，并进行光电转换。第二部分是一个变化放大电路，采用的是一个开关电容放大结构，其功能为完成采样和放大。第三级主要由两个比较器组成，当光强变弱时产生OFF信号，光强变强时发出ON信号。
专利CN107147856在上述提到的文献基础上提出了邻域去噪的方法，该方法在像素之间搭建通信电路，当像素由于光强变化而产生事件时，通过获取位于四个邻域的像素单元的激发状态信号并判断其状态，若该四个邻域的像素单元至少有三个处于未响应状态，则使该像素单元不作出响应，从而避免孤立噪声的产生。
专利CN105227870提出了线性—对数图像传感器，用以提高图像传感器的动态范围。当光照强度较低时，电路为线性响应，以提高其在弱光条件下的成像能力。当光照强度较高时，电路为对数响应，避免因为高光照强度而导致积分电荷饱和的情况。从而实现大的动态范围。
专利CN105163048提出了一种采用复用结构实现光电流变化检测和可以全帧成像的动态视觉图像传感器。该技术将光电二级管采集的光电流经对数转换后电压信号，一方面接到传统动态视觉传感器的后端电路中，另一方面接到AD转换电路中，进行传统图像传感器的光强信息量化及数据读取。
上述方法中提到的动态视觉传感器，虽然不采用帧的成像模式，只对图像中光强发生变化的部分成像，在一定程度上减少了数据量，但由于每个像素都异步的实时检测光强变化，并采用AER事件读出方式，当事件以非常高的速率产生时，或者大于最高读出速率时会产生延时从而导致发生事件与对应的时间戳不匹配的情况，所以在一定程度上会产生运动伪影；而且容易受到晶体管的漏电流影响而产生虚假事件，并且不能将其除掉。
动态视觉图像传感器虽采用对数形式的光感知结构来提高动态范围，但在一般照度情况下会降低输出电压摆幅，使信噪比降低。其在灰度图像输出的方式上都是在光感知单元将光电信号直接输出到AD转换上，进行灰度读出，这样不能有效减少固定噪声和复位噪声的影响。
基于上述不足，本发明消除了运动伪影，舍弃了传统动态视觉传感器的异步读出方式，因此不需要仲裁结构，节省了像素面积；提高了一般照度情况下的信噪比；在输出事件的同时也可以输出灰度图像。使图像传感器类似于生物视网膜，但也突破生物视觉的限制。
发明内容
本发明为解决现有方法对每个像素都采用异步实时检测光强变化，并采用AER事件读出方式，容易产生延时，从而导致发生事件与对应的时间戳不匹配，产生运动伪影；且容易受到晶体管的漏电流影响产生虚假事件，并且不能将其除掉等问题，提供一种类视网膜图像传感器的像素结构。
一种类视网膜图像传感器的像素结构，包括自适应光感知单元、采样比较单元以及信号处理单元；所述自适应光感知单元用于完成光信号向电信号的转换，输出电压信号；采样比较单元用于完成采样和比较功能以确定信号极性，当光强变弱时产生OFF信号，光强变强时发出ON信号；信号处理单元对采样比较单元输出的极性信号进行存储，并按指令进行信号处理完成降噪；所述采样比较单元由传输管TG、四个开关晶体管、两个积分电容和两个全帧信号控制晶体管组成；
所述传输管TG的一端与自适应光感知单元的输出端连接，另一端与所述开关晶体管M4的漏极和开关晶体管M5的漏极连接，开关晶体管M4的漏极与全帧信号控制晶体管M8的一端、开关晶体管M6的栅极以及开关晶体管M7的栅极连接；所述开关晶体管M4的源极与积分电容C1连接，所述开关晶体管M5的源极与积分电容C2连接；所述积分电容C1和积分电容C2接地；
所述开关晶体管M5的漏极与全帧信号控制晶体管M8的另一端、开关晶体管M6的源极以及开关晶体管M7的源极连接，所述开关晶体管M6的源极与开关晶体管M7的源极连接；所述开关晶体管M6的漏极与电阻R以及信号处理单元连接，所述电阻R的另一端与电源VDD连接；所述开关晶体管M7的漏极接地；所述全帧信号控制晶体管M8的另一端与全帧信号控制晶体管M9的一端连接，所述全帧信号控制晶体管M9的另一端与外部输出端连接；
在一个扫描周期内，所述采样比较单元均按以下步骤循环操作，具体过程为：
步骤一、打开传输管TG进行采样；
步骤二、打开开关晶体管M4，积分电容C1进行信号采集；
步骤三、关闭开关晶体管M4，打开开关晶体管M5，采用积分电容C2进行信号采集；
步骤四、关闭传输管TG，同时打开开关晶体管M4和晶体管M5进行信号比较；
若V1>V2，则开关晶体管M6和开关晶体管M7导通，采样比较单元的输出为低电平即OFF信号；
若V1<V2，则开关晶体管M6和开关晶体管M7截至，采样比较单元的输出为高电平即ON信号；
所述信号处理单元存储一个扫描周期内发生的事件，并根据需要进行输出。
本发明的有益效果：本发明运用仿生学的知识，利用视网膜的工作原理，设计一种新型图像传感器的像素结构，利用自适应光感知单元来提高动态范围。其在成像时，只采集光强发生变化的像素信息，并不对所有的像素全部进行采样，以达到减少数据量的目的。利用采样比较电路来确定光强如何变化。而且在每个像素结构中添加有可编程存储单元，用于存储极短时间内的目标信息，并在存储单元中完成像素级降噪功能。本发明相对于传统的图像传感器具有像素面积小，高灵敏度，大动态范围，数据量少，不丢失目标运动信息的优点。
具有以下优点：
(1)采用自适应光电转换方式，根据光照强度自适应的选择对应的响应模式，使其在低光照和一般光照条件下具有较高的电压摆幅，提高信噪比，在高光强模式下采用对数模式，避免光强太大使积分电容饱和。从而提高图像传感器的动态范围。
(2)采用积分比较的采样方式，达到相关双采样的效果消除固定噪声和复位噪声影响。并且能够在一个读出周期之内详细的反映出光强变化。
(3)采用像素级可编程存储单元，根据指令依据ON/OFF事件占比进行事件预处理，事件达到抗闪烁以及进一步减少数据量的目的。
(4)使用列周期扫描读出方式以及全局复位，并存储扫描周期内的所有事件，可以达到高时空分辨率的需求，消除事件与事件戳不匹配而产生的运动伪影。
(5)在全帧成像模式下，调整M4，M5的时序，首先打开M4，进行一次复位操作，将复位信号存储在积分电容C1当中，然后再次复位，打开M5进行光电转换将光电信号存储在积分电容C2里面，然后由控制晶体管M8、M9进行读出操作，输出二者相减的信号，从而在做到全帧成像的同时，也避免了复位噪声的影响。
(6)事件模式下的事件光强信息通过存储器中的ON/OFF事件的数量进行确定，减少了从光电感知单元到读出电路之间的信号传输，有效的减少了像素面积，以及信号传输线对信号的影响。
附图说明
图1为现有动态视觉传感器像素结构图；
图2为本发明所述的一种类视网膜图像传感器像素结构图；
图3为像素控制时序图；
图4为信号转移控制流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，一种类视网膜图像传感器像素结构，本实施方式基于生物视网膜的工作原理，由三部分级联组成，第一级采用自适应光感知结构来完成光信号向电信号的转换，该部分类似于视网膜中的视锥细胞，用于感受光强，并进行光电转换。第二级为采样比较电路类似于视网膜中的双极性细胞，完成采样和比较功能以确定信号极性。当光强变弱时产生OFF信号，光强变强时发出ON信号。第三级为像素级的信号处理单元类似于人的视觉处理单元，对上一级的极性信号进行存储，并按指令进行信号处理完成降噪功能，然后等待读出。其基本像素结构如图2所示。
第一级采用自适应光感知单元，由晶体管M1、M2、M3、光电二极管PD组成。所述光电二极管PD的阳极接地，阴极与晶体管M3的栅极和漏极连接，晶体管M1的漏极与晶体管M2的源极和晶体管M3的源极连接；所述晶体管M1的源极、晶体管M2的栅极和漏极均与电源VDD连接。
在低光照条件下，由于PD产生的光电流太弱，使M3的Vgs一直处于逼近阈值电压Vth的状态，从而使M3进入亚阈值状态，此时M3作为对数管使光电感知结构工作在对数模式。
在一般光照条件下，随着光强的变大，此时二极管PD产生的光电流Iph使M3栅源电压Vgs>阈值电压Vth，M3导通，在一定时间内浮空节点电压VFD随着Iph的增大线性下降，由于VFD>VDD-Vth所以M2依旧处于关闭状态，从而使光感知单元工作在线性工作模式，此时输出电压的摆幅要高于同光照条件下的对数响应的输出。
随着光强增大，VFD逐渐变小，当VFD<VDD-Vth时,使M2进入亚阈值状态，M2作为对数管，使光感知单元再次工作在对数响应模式下，以防光强太大使像素值饱和。
本实施方式中，所述采样比较单元有两种输出模式即事件模式和全帧成像模式；
所述事件模式：只对目标中光强发生变化的地方响应，对应的生成ON/OFF事件，其事件包含信息为：{X坐标、Y坐标、时间、光强}或{X坐标、Y坐标、时间}；
全帧成像模式：同时对画面中所有信息都进行成像；
在事件模式下的事件光强信息通过信号处理单元中的ON/OFF事件的数量进行确定。
第二部分为采样比较单元用来判断光强是如何变化，变强、变弱、还是不变。如果光强变强则输出ON信号，光强变弱则输出OFF信号，如果不变则不输出。该单元由起控制作用的传输管TG、开关作用的开关晶体管M4、M5、M6、M7和积分电容C1、C2和一个全帧信号控制晶体管M8、M9组成；所述传输管TG的一端与自适应光感知单元的输出端连接，另一端与所述开关晶体管M4的漏极和开关晶体管M5的漏极连接，开关晶体管M4的漏极与全帧信号控制晶体管M8的一端、开关晶体管M6的栅极以及开关晶体管M7的栅极连接；所述开关晶体管M4的源极与积分电容C1连接，所述开关晶体管M5的源极与积分电容C2连接；所述积分电容C1和积分电容C2接地；
所述开关晶体管M5的漏极与全帧信号控制晶体管M8的另一端、开关晶体管M6的源极以及开关晶体管M7的源极连接，所述开关晶体管M6的源极与开关晶体管M7的源极连接；所述开关晶体管M6的漏极与电阻R以及信号处理单元连接，所述电阻R的另一端与电源VDD连接；所述开关晶体管M7的漏极接地；所述全帧信号控制晶体管M8的另一端与全帧信号控制晶体管M9的一端连接，所述全帧信号控制晶体管M9的另一端与外部输出端连接。
C1的积分电压为V1，C2的积分电压为V2。在一个扫描周期内具体信号控制时序图如图3所示，图3中，定义高电平为1，低电平为0，其中高电平1使晶体管打开，低电平0使晶体管关闭。在一个扫描周期T内，REST被拉低为低电平。
一个扫描周期又有n个事件产生周期t，在一个事件产生周期内传输管TG的时序为110110，晶体管M4的时序为101101，晶体管M5的时序为011011。根据此时序关系来控制REST、TG、M4、M5产生高低电平从而进行以下操作步骤：
一、将复位信号REST拉为高电平，开启复位开关晶体管M1，对光电二极管PD进行复位，此时，TG、M4、M5的控制信号均为低电平，处于断开状态。随即将复位信号REST拉为低电平，关闭复位开关晶体管M1。
二、打开TG管进行采样；
三、打开M4，C1进行信号采集；
四、关闭M4，打开M5利用C2进行信号采集；
五、关闭传输管TG，
六、同时打开M4、M5进行信号比较，比较过程如下：
a)若V1>V2,则M6、M7导通，采样比较单元的输出为低电平即OFF信号。
b)若V1<V2,则M6、M7截至，采样比较单元的输出为高电平即ON信号。
七、进行二到六循环，再次复位进行下一扫描周期。
所述采样比较单元进行全帧成像的获取方式为：由M8、M9作为全帧图像的读出控制信号按以下顺序进行全帧图像的读取；
(1)首先打开传输管TG；
(2)打开M4，进行一次复位操作，将复位信号存储在积分电容C1中；
(3)然后再次复位并打开M5将光电信号存储在积分电容C2里面；
(4)然后闭合传输管TG，由M8、M9控制读取全帧信号，在全帧信号读出时将两次积分信号相减以达到相关双采样，从而避免复位噪声的影响。
第三部分为信号处理单元(由一个可编程寄存器组成)，存储一个扫描读出周期内发生的事件，并根据需要进行输出。有两种工作模式：
(1)将产生事件全部输出，不做任何处理。
(2)对事件进行预处理。根据ON/OFF事件的比率来实现像素级的降噪，并且实现抗闪烁功能、单一事件输出或者全部事件输出；
所述抗闪烁功能由ON/OFF事件占比确定，如果ON/OFF事件占比约为50％左右，则判断其为闪烁噪声，不予输出；
根据ON/OFF事件占比大小，选择输出一个占比最大的单一事件输出；从而减少数据量。
当要获得较高的时空分辨率时，则选择存储的全部事件输出。
在数据读出方式上，以一定的周期进行列扫描读出，未被扫描的列继续进行光强变化检测。所以即使在扫描间隔也不会损失物体的信息，解决了传统以帧为传输方式，在帧间隔丢失目标信息的问题。在一个扫描周期结束之后进行全局复位，从而实现类似于“全局曝光”的方法，来解决运动伪影。同时采用列扫描读出的方式，可以替代AER的仲裁结构，节省像素面积。
光强信息是通过在寄存器里事件的数目来表示的。在一个固定的列读出扫描周期下，自适应光感知单元一直在检测光强变化，而且不断产生ON/OFF事件，因此ON/OFF的事件数量可以用于表示光强信息，产生的ON事件越多，表明光强越大。由于在采样比较单元采用相关双采样，所以可以有效避免固定噪声和复位噪声的影响。
具体实施方式二、结合图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的类视网膜图像传感器的像素结构的转移信号控制方法，该方法由以下步骤实现：
A、进行全局复位，自适应光感知单元根据光强的大小自适应的选择响应模式；
B、打开传输管TG，然后依次打开晶体管M4，晶体管M5进行积分，然后关闭传输管TG，将积分值送入由晶体管M6、晶体管M7组成的比较电路中，从而成对应光强变化的ON/OFF事件；
C、信号处理单元对ON/OFF事件进行存储，并根据指令进行事件预处理，等待列扫描读出；
D、列扫描读出后，清空信号处理单元，返回执行步骤A。
Claims (3)
1.一种类视网膜图像传感器的像素结构，包括自适应光感知单元、采样比较单元以及信号处理单元；所述自适应光感知单元用于完成光信号向电信号的转换，输出电压信号；采样比较单元用于完成采样和比较功能以确定信号极性，当光强变弱时产生OFF信号，光强变强时发出ON信号；信号处理单元对采样比较单元输出的极性信号进行存储，并按指令进行信号处理完成降噪；其特征是：
所述自适应光感知单元由晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3和光电二极管PD组成；
所述光电二极管PD的阳极接地，阴极与晶体管M3的栅极和漏极连接，晶体管M1的漏极与晶体管M2的源极和晶体管M3的源极连接；所述晶体管M1的源极、晶体管M2的栅极和漏极均与电源VDD连接；
所述采样比较单元由传输管TG、电阻R、四个开关晶体管、两个积分电容和两个全帧信号控制晶体管组成；
所述传输管TG的一端与自适应光感知单元的输出端连接，另一端与所述开关晶体管M4的漏极和开关晶体管M5的漏极连接，开关晶体管M4的漏极与全帧信号控制晶体管M8的一端、开关晶体管M6的栅极以及开关晶体管M7的栅极连接；所述开关晶体管M4的源极与积分电容C1连接，所述开关晶体管M5的源极与积分电容C2连接；所述积分电容C1和积分电容C2接地；
所述开关晶体管M5的漏极与全帧信号控制晶体管M8的另一端、开关晶体管M6的源极以及开关晶体管M7的源极连接，所述开关晶体管M6的源极与开关晶体管M7的源极连接；所述开关晶体管M6的漏极与电阻R以及信号处理单元连接，所述电阻R的另一端与电源VDD连接；所述开关晶体管M7的漏极接地；所述全帧信号控制晶体管M8的另一端与全帧信号控制晶体管M9的一端连接，所述全帧信号控制晶体管M9的另一端与外部输出端连接；
在一个扫描周期内，所述采样比较单元均按以下步骤循环操作，具体过程为：
步骤一、打开传输管TG进行采样；
步骤二、打开开关晶体管M4，积分电容C1进行信号采集；
步骤三、关闭开关晶体管M4，打开开关晶体管M5，采用积分电容C2进行信号采集；
步骤四、关闭传输管TG，同时打开开关晶体管M4和晶体管M5进行信号比较；
若V1>V2，则开关晶体管M6和开关晶体管M7导通，采样比较单元的输出为低电平即OFF信号；所述V1和V2分别为积分电容C1和C2的积分电压；
若V1<V2，则开关晶体管M6和开关晶体管M7截至，采样比较单元的输出为高电平即ON信号；
所述信号处理单元存储一个扫描周期内发生的ON事件或OFF事件，并根据需要进行输出；具体有两种工作模式：
(1)将产生事件全部输出，不做任何处理；
(2)对事件进行预处理；根据ON事件或OFF事件的比率实现像素级的降噪，并且实现抗闪烁功能、单一事件输出或者全部事件输出；
所述抗闪烁功能由ON事件或OFF事件占比确定，如果ON事件中OFF事件占比为50％时，则判断其为闪烁噪声，不予输出；
根据ON事件或OFF事件占比大小，选择输出一个占比最大的单一事件输出；
当要获得较高的时空分辨率时，则选择存储的全部事件输出。
2.根据权利要求1所述的一种类视网膜图像传感器的像素结构，其特征在于：所述采样比较单元有两种输出模式，即事件模式和全帧成像模式；
所述事件模式：只对目标中光强发生变化的地方响应，对应的生成ON事件或OFF事件，其事件包含信息为：{X坐标、Y坐标、时间、光强}或{X坐标、Y坐标、时间}；
在事件模式下的事件光强信息通过信号处理单元中的ON事件或OFF事件的数量进行确定；所述事件模式的具体步骤为：
一、将复位信号REST拉为高电平，开启复位开关晶体管M1，对光电二极管PD进行复位，此时，传输管TG、开关晶体管M4、开关晶体管M5的控制信号均为低电平，处于断开状态；随即将复位信号REST拉为低电平，关闭复位开关晶体管M1；
二、打开传输管TG管进行采样；
三、打开开关晶体管M4，积分电容C1进行信号采集；
四、关闭开关晶体管M4，打开开关晶体管M5利用积分电容C2进行信号采集；
五、关闭传输管TG，
六、同时打开开关晶体管M4、开关晶体管M5进行信号比较，比较过程如下：
a)若V1>V2,则开关晶体管M6、开关晶体管M7导通，采样比较单元的输出为低电平即OFF信号，
b)若V1<V2,则开关晶体管M6、开关晶体管M7截至，采样比较单元的输出为高电平即ON信号；
七、进行二到六循环，再次复位进行下一扫描周期；
全帧成像模式：同时对画面中所有信息都进行成像；
所述采样比较单元进行全帧成像的获取方式为：由晶体管M8、晶体管M9作为全帧图像的读出控制信号按以下顺序进行全帧图像的读取；
(1)首先打开传输管TG；
(2)打开开关晶体管M4，进行一次复位操作，将复位信号存储在积分电容C1中；
(3)然后再次复位并打开开关晶体管M5，将光电信号存储在积分电容C2中；
(4)最后，闭合传输管TG，由全帧信号控制晶体管M8、M9控制读取全帧信号，在全帧信号读出时将两次积分信号相减，完成信号相关双采样。
3.根据权利要求1所述的一种类视网膜图像传感器的像素结构的转移信号控制方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
A、进行全局复位，自适应光感知单元根据光强的大小自适应的选择响应模式；
B、打开传输管TG，然后依次打开晶体管M4，晶体管M5，通过电容C1、C2进行积分，然后关闭传输管TG，将积分值送入由晶体管M6、晶体管M7组成的比较电路中，生成对应光强变化的ON事件或OFF事件；
C、信号处理单元对ON事件或OFF事件进行存储，并根据指令进行事件预处理，等待列扫描读出；
D、列扫描读出后，清空信号处理单元，返回执行步骤A。
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