CN112584016B - 红外仿生视觉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种红外仿生视觉传感器。该红外仿生视觉传感器包括：兴奋型感光单元和抑制型感光单元，兴奋型感光单元和抑制型感光单元均用于提取目标光信号中设定波段的光信号，并将设定波段的光信号转换为电流信号；传感控制单元，传感控制单元与兴奋型感光单元和抑制型感光单元电连接，传感控制单元用于根据兴奋型感光单元和抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号；其中，兴奋型感光单元和抑制型感光单元分布在红外仿生视觉传感器中的不同区域，设定波段包括红外线波段。本发明的技术方案，实现了高速灰度变化量信号的采集，提升了图像的动态范围。

Description

红外仿生视觉传感器
技术领域
本发明实施例涉及图像传感技术领域，尤其涉及一种红外仿生视觉传感器。
背景技术
随着图像传感技术的不断发展，CMOS视觉传感器在各个领域得到了广泛的应用。视觉传感器是指利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的仪器，例如，现有技术中的视觉传感器一般包括：有源像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)和动态视觉传感器(Dynamic Vision Sensor，DVS)。
目前，现有视觉传感器存在以下缺陷：(1)应用场景有限：视觉传感器的拍摄速度较慢，并且面临动态范围较小的问题，难以广泛应用。(2)稳定性较差：例如当环境光强较暗时，视觉传感器由于动态范围有限而难以拍摄图像。(3)性能有限：动态范围、拍摄速度和稳定性是评价视觉传感器性能的重要指标，传统视觉传感器的这些评价指标往往互斥，例如当传感器的拍摄速度提高时，动态范围就会降低。
因此，现有技术缺乏兼具动态范围高、拍摄速度快以及稳定性强的视觉传感器，并且没有相应的电流型视觉传感器的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供一种红外仿生视觉传感器，以实现高速获取灰度变化量信号，并提升红外仿生视觉传感器采集的图像的动态范围。
本发明实施例提供了一种红外仿生视觉传感器，包括：
兴奋型感光单元和抑制型感光单元，所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元均用于提取目标光信号中设定波段的光信号，并将所述设定波段的光信号转换为电流信号；
传感控制单元，所述传感控制单元与所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元电连接，所述传感控制单元用于根据所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号；
其中，所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元分布在所述红外仿生视觉传感器中的不同区域，所述设定波段包括红外线波段。
可选地，所述兴奋型感光单元包括第一感光器件，所述抑制型感光单元包括第二感光器件，所述第一感光器件和所述第二感光器件均为红外光敏器件。
可选地，所述兴奋型感光单元包括第一感光器件以及设置在所述第一感光器件上的第一滤光器件，所述抑制型感光单元包括第二感光器件以及设置在所述第二感光器件上的第二滤光器件；
所述第一感光器件和所述第二感光器件均为红外光敏器件；
和/或，所述第一滤光器件和所述第二滤光器件均为红外滤光器件。
可选地，所述兴奋型感光单元包括第一感光器件以及设置在所述第一感光器件上的第一滤光器件，所述抑制型感光单元包括第二感光器件以及设置在所述第二感光器件上的第二滤光器件；
所述第一感光器件为红外光敏器件，所述第二滤光器件为红外滤光器件；或者，所述第一滤光器件为红外滤光器件，所述第二感光器件为红外光敏器件；
所述传感控制单元还用于对所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元的光谱响应特性的一致性进行校正。
可选地，所述兴奋型感光单元和所述兴奋型感光单元呈阵列排布，以形成像素单元；
所述传感控制单元用于根据所述像素单元中的所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
可选地，所述像素单元包括一个所述兴奋型感光单元和四个所述抑制型感光单元；四个所述抑制型感光单元围绕所述兴奋型感光单元设置，且分别与所述兴奋型感光单元相接。
可选地，所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元的形状均为矩形，四个所述抑制型感光单元的顶角分别与所述兴奋型感光单元的四个顶角相接。
可选地，多个所述像素单元阵列排布以形成像素阵列，相邻两个所述像素单元共用一行或一列所述抑制型感光单元。
可选地，所述传感控制单元包括兴奋型控制电路以及与所述兴奋型控制电路连接的至少一个抑制型控制电路；
所述兴奋型控制电路连接所述兴奋型感光单元，所述抑制型控制电路连接所述抑制型感光单元，并与所述抑制型感光单元一一对应设置，所述抑制型控制电路用于将所述抑制型感光单元转换的电流信号传输至所述抑制型控制电路连接的所述兴奋型控制电路；
所述兴奋型控制电路通过开关与所述抑制型控制电路连接，所述开关用于根据接收到的控制信号导通或关断所述兴奋型控制电路和所述抑制型控制电路，所述兴奋型控制电路用于根据所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
可选地，所述兴奋型控制电路包括：信号放大单元、加法器、数模转换器、比较器、三态门和至少一个第一开关；
所述信号放大单元的输入端连接所述兴奋型感光单元，所述信号放大单元的输出端连接所述比较器的第一输入端；
所述抑制型控制电路通过所述第一开关连接所述加法器的输入端，所述加法器的输出端连接所述比较器的第二输入端；
所述数模转换器的输入端连接所述比较器的输出端，所述数模转换器的模拟信号输出端分别连接所述信号放大单元的输入端和所述加法器的输入端，所述数模转换器用于根据所述比较器输出的比较结果信号，向所述信号放大单元的输入端或所述加法器的输入端输入模拟信号，以使所述比较器输出包含所述设定波段的光信号的光强变化量的比较结果信号；
所述三态门的控制端连接所述比较器的输出端，所述三态门的输入端连接所述数模转换器的输入端，所述三态门用于根据所述比较器输出的信号，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
可选地，所述兴奋型控制电路还包括与所述三态门的输出端连接的存储单元，用于存储并输出所述三态门输出的信号。
可选地，所述抑制型控制电路包括：与所述抑制型感光单元连接的第二开关以及与所述抑制型感光单元和所述第二开关连接的至少一个镜像开关，所述抑制型控制电路通过所述镜像开关连接所述兴奋型控制电路。
本发明实施例的技术方案，提供了一种电流型的红外仿生视觉传感器，利用该传感器模拟人眼视网膜中的视觉感知细胞，通过兴奋型感光单元和抑制型感光单元分别感知目标光信号中设定波段的光信号，并将设定波段的光信号转换为电流信号，通过传感控制单元根据兴奋型感光单元和抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号，以模拟视杆细胞获取光强梯度信息，从而提升传感器对动态目标的感知能力，增大传感器采集的图像的动态范围，并提高传感器的拍摄速度。本发明实施例的技术方案，解决了现有视觉传感器应用场景有限、稳定性较差和性能有限等缺陷，实现了高速灰度变化量信号的采集，丰富了图像的视觉信息，使得红外仿生视觉传感器兼具高速、高动态范围和高时间分辨率拍摄的优势。另外，红外仿生视觉传感器还可以感知目标光信号中红外线的光强变化信息，进一步拓宽了传感器的应用场景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种红外仿生视觉传感器的模块结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种红外仿生视觉传感器中的像素单元的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种红外仿生视觉传感器的像素排布示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种红外仿生视觉传感器的像素排布示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种红外仿生视觉传感器的模块结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种兴奋型控制电路的模块结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种信号波形示意图；
图8是本发明实施例提供的一种兴奋型控制电路的电路结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种抑制型控制电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
正如背景技术所述，现有视觉传感器存在应用场景有限、稳定性较差以及性能有限等缺陷，现有技术缺乏兼具动态范围高、拍摄速度快以及稳定性强的视觉传感器，并且没有相应的电流型视觉传感器的解决方案。
针对上述问题，本发明实施例提供了一种红外仿生视觉传感器。图1是本发明实施例提供的一种红外仿生视觉传感器的模块结构示意图，如图1所示，该红外仿生视觉传感器，包括：兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120，兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120均用于提取目标光信号中设定波段的光信号，并将设定波段的光信号转换为电流信号；传感控制单元10，传感控制单元10与兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120电连接，传感控制单元10用于根据兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120转换的电流信号之间的差异，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号；其中，兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120分布在红外仿生视觉传感器中的不同区域，设定波段包括红外线波段。
本发明实施例所提供的红外仿生视觉传感器可用于拍摄目标物体，以实现图像信号或视频信号的采集，其中，目标物体可以是静态人物、动态人物、静态场景或动态场景等，也可以是其他形式的物体，本发明实施例对此不进行限制。
具体地，参见图1，兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120均可以包括图像传感器，图1仅示意性地示出了红外仿生视觉传感器包括一个兴奋型感光单元110及一个抑制型感光单元120的情况，实际应用中，红外仿生视觉传感器中可包括多个兴奋型感光单元110和多个抑制型感光单元120，兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120分布在红外仿生视觉传感器中的不同区域，使得兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120能够形成像素传感结构，以实现对目标物体的图像信号或视频信号的采集。目标光信号是指目标物体表面反射的光信号，应用红外仿生视觉传感器对目标物体进行拍摄时，目标物体表面反射的光信号可以直接或间接照射在兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120的表面，以使兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120将目标光信号转换为反映目标物体特征的电信号。
目标光信号中设定波段的光信号，例如可以是可见光和红外线波段中的至少部分波段的光信号。红外线波段低于可见光波段，例如红外线波段为760nm至1mm。兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120可以直接采集设定波段的光信号，也可以通过光学透镜或者滤光器件提取目标光信号中设定波段的光信号，并将设定波段的光信号转换为电流信号。兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120从目标光信号中提取的光信号包括红外光信号(即红外线)，这样，红外仿生视觉传感器还可以感知目标光信号中红外线的光强变化信息，使得该红外仿生视觉传感器能够广泛应用于各领域中的红外摄像机。
示例性地，红外仿生视觉传感器为工作模式是电流模式的有源像素传感电路，该电流模式是指，传感控制单元10可根据兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120转换的电流信号之间的差异，感应设定波段的光信号中的光强变化，并输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。其中，光强变化量即灰度变化量或者光强梯度信息。电流模式的红外仿生视觉传感器能够快速对光信号进行转换并输出电流信号，该电流信号具有便于实现数学运算的功能，以得到高速差分信号。
本发明实施例的技术方案，提供了一种电流型的红外仿生视觉传感器，利用该传感器模拟人眼视网膜中的视觉感知细胞，通过兴奋型感光单元和抑制型感光单元分别感知目标光信号中设定波段的光信号，并将设定波段的光信号转换为电流信号，通过传感控制单元根据兴奋型感光单元和抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号，以模拟视杆细胞获取光强梯度信息，从而提升传感器对动态目标的感知能力，增大传感器采集的图像的动态范围，并提高传感器的拍摄速度。本发明实施例的技术方案，解决了现有视觉传感器应用场景有限、稳定性较差和性能有限等缺陷，实现了高速灰度变化量信号的采集，丰富了图像的视觉信息，使得红外仿生视觉传感器兼具高速、高动态范围和高时间分辨率拍摄的优势。另外，红外仿生视觉传感器还可以感知目标光信号中红外线的光强变化信息，进一步拓宽了传感器的应用场景。
参见图1，可选地，设置兴奋型感光单元110包括第一感光器件，抑制型感光单元120包括第二感光器件，第一感光器件和第二感光器件均为红外光敏器件。
具体地，第一感光器件和第二感光器件均可以是光电二极管(Photo-Diode，PD)，能够将光信号转换成对应的电信号。当设定波段包括红外线波段时，第一感光器件和第二感光器件均为红外光敏器件，例如红外光敏二极管。这样，红外仿生视觉传感器能够感知目标光信号中红外线的光强变化信息。
参见图1，可选地，设置兴奋型感光单元110包括第一感光器件以及设置在第一感光器件上的第一滤光器件，抑制型感光单元120包括第二感光器件以及设置在第二感光器件上的第二滤光器件；第一感光器件和第二感光器件均为红外光敏器件，第一滤光器件和第二滤光器件均为红外滤光器件。
具体地，第一滤光器件和第二滤光器件均用于对通过自身的光的波段进行选择，第一滤光器件和第二滤光器件均可以是彩色滤光片(Color filter)，或者是能够提取设定分量的光信号的光学透镜，例如拜伦透镜。第一滤光器件可以设置在第一感光器件的感光表面，这样，目标光信号首先照射至第一滤光器件的表面，第一滤光器件对目标光信号中包括红外线波段的设定波段的光信号进行提取，以使设定波段的光信号照射至第一感光器件的感光表面，通过第一感光器件将设定波段的光信号转换为对应的电流信号。同理，第二滤光器件可以设置在第二感光器件的感光表面，通过第二滤光器件对目标光信号中包括红外线波段的设定波段的光信号进行提取，并通过第二感光器件将设定波段的光信号转换为对应的电流信号。设置第一滤光器件和第二滤光器件均为红外滤光器件均为红外滤光器件，提升了红外仿生视觉传感器对目标光信号中红外线的光强变化信息的感知能力。
参见图1，可选地，也可以设置兴奋型感光单元110包括第一感光器件以及设置在第一感光器件上的第一滤光器件，抑制型感光单元120包括第二感光器件以及设置在第二感光器件上的第二滤光器件；第一感光器件和第二感光器件均为红外光敏器件；或者，第一滤光器件和第二滤光器件均为红外滤光器件。本实施例中，设置第一感光器件和第二感光器件均为红外光敏器，或者第一滤光器件和第二滤光器件均为红外滤光器件，同样能够提升红外仿生视觉传感器对目标光信号中红外线的光强变化信息的感知能力。
继续参见图1，可选地，设置兴奋型感光单元110包括第一感光器件以及设置在第一感光器件上的第一滤光器件，抑制型感光单元120包括第二感光器件以及设置在第二感光器件上的第二滤光器件；第一感光器件为红外光敏器件，第二滤光器件为红外滤光器件，或者第一滤光器件为红外滤光器件，第二感光器件为红外光敏器件；传感控制单元10还用于对兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120的光谱响应特性的一致性进行校正。
具体地，设置第一感光器件为红外光敏器件，第二滤光器件为红外滤光器件，或者第一滤光器件为红外滤光器件，第二感光器件为红外光敏器件，同样能够提升红外仿生视觉传感器对目标光信号中红外线的光强变化信息的感知能力。当兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120二者中的一个，通过红外光敏器件配合普通滤光器件提取目标光信号中包括红外线波段的设定波段的光信号，另一个通过红外滤光器配合普通光敏器件提取目标光信号中包括红外线波段的设定波段的光信号时，为避免二者提取的光信号的差异过大，可通过传感控制单元10对兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120的光谱响应特性的一致性进行校正，以提升红外仿生视觉传感器感知目标光信号中红外线的光强变化信息的能力。
图2是本发明实施例提供的一种红外仿生视觉传感器中的像素单元的结构示意图，该像素单元Pixel 1可以是红外仿生视觉传感器的像素传感结构中的一个像素单元。结合图1和图2，可选地，设置兴奋型感光单元110和兴奋型感光单元110呈阵列排布，以形成像素单元；传感控制单元10用于根据像素单元中的兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120转换的电流信号之间的差异，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
示例性地，该像素单元可以包括一个兴奋型感光单元110，以及位于兴奋型感光单元110周围的至少一个抑制型感光单元120，兴奋型感光单元110可以模拟人眼的兴奋型视杆细胞，抑制型感光单元120可以模拟人眼的抑制型视杆细胞，兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120分别感知设定波段的光信号的灰度信息，传感控制单元10根据兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120转换的电流信号之间的差异，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流差分信号，以模拟视杆细胞获取光强梯度信息。
结合图1和图2，可选地，设置像素单元包括一个兴奋型感光单元110和四个抑制型感光单元120；四个抑制型感光单元120围绕兴奋型感光单元110设置，且分别与兴奋型感光单元110相接。
示例性地，目标光信号照射至像素单元Pixel 1的表面时，兴奋型感光单元110和四个抑制型感光单元120分别感知目标光信号中设定波段的光信号的灰度信息，并将设定波段的光信号转换为相应的电流信号。传感控制单元10可以将兴奋型感光单元110转换的电流信号，与四个抑制型感光单元120转换的电流信号的平均值作差，以得到差分电流信号，即反映光强变化量的光强梯度信号。像素单元Pixel 1通过一个兴奋型感光单元110，以及围绕该兴奋型感光单元110的四个抑制型感光单元120，能够模拟人眼的视杆细胞，获取反映光强变化量的光强梯度信号。
结合图1和图2，可选地，设置兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120的形状均为矩形，四个抑制型感光单元120的顶角分别与兴奋型感光单元110的四个顶角相接。
其中，图2示意性地示出了兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120的形状均为正方形的情况，四个抑制型感光单元120分别位于兴奋型感光单元110的对角线上，且四个抑制型感光单元120的顶角分别与兴奋型感光单元110的四个顶角相接。这样设置的好处在于，有利于提升红外仿生视觉传感器的像素填充因子。
图3是本发明实施例提供的一种红外仿生视觉传感器的像素排布示意图，结合图1至图3，可选地，设置多个像素单元Pixel 1阵列排布以形成像素阵列，相邻两个像素单元Pixel 1共用一行或一列抑制型感光单元120。
示例性地，参见图3，兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120形成的像素阵列中，阵列的一行包括两种排布形式，即一行均为交替设置的兴奋型感光单元110，或一行均为交替设置的抑制型感光单元120，且具有兴奋型感光单元110的像素行，与具有抑制型感光单元120的像素行在像素阵列中交替设置。阵列的一列包括两种排布形式，即一列均为交替设置的兴奋型感光单元110，或一列均为交替设置的抑制型感光单元120，且具有兴奋型感光单元110的像素列，与具有抑制型感光单元120的像素列在像素阵列中交替设置。兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120位于像素阵列的不同行和不同列，能够提升红外仿生视觉传感器对光信号的灰度变化量的感知能力。
继续参见图3，本实施例实现了抑制型感光单元120的复用。具体地，每个兴奋型感光单元110转换的电流信号均可以与周围的四个抑制型感光单元120转换的电流信号进行运算，因而每个抑制型感光单元120转换的电流信号都可以同时与周边的四个兴奋型感光单元110转换的电流信号进行运算，不但实现了抑制型感光单元120的复用，还有利于提升像素填充因子。
图4是本发明实施例提供的另一种红外仿生视觉传感器的像素排布示意图，示例性地，该像素排布结构包括M行N列的像素阵列，每个坐标位置点的像素结构均为一个像素单元，该像素单元可以是图2和图3所示的像素单元Pixel 1。一个像素单元Pixel 1中包括一个兴奋型感光单元110和四个抑制型感光单元120，这样，红外仿生视觉传感器中，每个坐标位置点的像素单元均能感知灰度变化量信号，从而丰富红外仿生视觉传感器拍摄的图像的视觉信息。
图5是本发明实施例提供的另一种红外仿生视觉传感器的模块结构示意图，如图5所示，本实施例中，设置传感控制单元包括兴奋型控制电路130以及与兴奋型控制电路130连接的至少一个抑制型控制电路140；兴奋型控制电路130连接兴奋型感光单元110，抑制型控制电路140连接抑制型感光单元120，并与抑制型感光单元120一一对应设置，抑制型控制电路140用于将抑制型感光单元120转换的电流信号传输至抑制型控制电路140连接的兴奋型控制电路130；兴奋型控制电路130通过开关与抑制型控制电路140连接，开关用于根据接收到的控制信号导通或关断兴奋型控制电路130和抑制型控制电路140，兴奋型控制电路130用于根据兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120转换的电流信号之间的差异，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
图5示意性地示出了传感控制单元包括一个兴奋型感光单元110及其连接的兴奋型控制电路130，以及四个抑制型感光单元120及其连接的抑制型控制电路140的情况。其中，兴奋型感光单元110和抑制型感光单元120可对应于图2及3所示像素单元Pixel 1中的一个兴奋型感光单元110和包围该兴奋型感光单元110的四个抑制型感光单元120。传感控制单元的工作过程中，四个抑制型控制电路140同时将对应的抑制型感光单元120转换的电流信号传输至兴奋型控制电路130，以使兴奋型控制电路130将兴奋型感光单元110转换的电流信号，与四个抑制型感光单元120转换的电流信号的平均值作差，得到差分电流信号，即反映光强变化量的光强梯度信号。
参见图5，示例性地，兴奋型控制电路130还可以包括与抑制型控制电路140对应的开关(图中未示出)，每个抑制型控制电路140通过开关连接兴奋型控制电路130，兴奋型控制电路130可以根据接收到的控制信号控制开关导通或关断，以控制自身与抑制型控制电路140导通或断开。
示例性地，对应于不同的光照情况，控制信号有所不同，开关的开关情况有所区别。例如，对于目标光信号的光照强度大于第一预设值的情况，即强光照的情况，为提升传感控制单元输出的表征光强变化量的电流信号的精确度，可以通过控制信号控制兴奋型控制电路130中的所有开关打开，此时每个抑制型控制电路140有效，传感控制单元输出的电流信号为差模信号，即兴奋型感光单元110和四个抑制型感光单元120转换的电流信号的差分信号。对于目标光信号的光照强度小于第二预设值的情况，即弱光照的情况，此时兴奋型感光单元110转换的电流信号较小，因而可以通过控制信号控制兴奋型控制电路130中的所有开关断开，此时每个抑制型控制电路140失效，传感控制单元输出的电流信号为共模信号，即兴奋型感光单元110转换的电流信号。其中，第一预设值和第二预设值的具体数值可以结合感光单元的类型和环境光照强度等进行具体设置。本发明实施例所提供的传感控制单元，能够仿真人眼的Gap Junction连接，从而提高红外仿生视觉传感器拍摄的图像的动态范围。
图6是本发明实施例提供的一种兴奋型控制电路的模块结构示意图，具体可以是图5中的兴奋型控制电路的具体化模块结构。如图6所示，在上述实施例的基础上，设置兴奋型控制电路130包括：信号放大单元131、加法器132、数模转换器133、比较器134、三态门135和至少一个第一开关136；信号放大单元131的输入端连接兴奋型感光单元110，信号放大单元131的输出端连接比较器134的第一输入端；抑制型控制电路140通过第一开关136连接加法器132的输入端，加法器132的输出端连接比较器134的第二输入端；数模转换器133的输入端连接比较器134的输出端C1，数模转换器133的模拟信号输出端分别连接信号放大单元131的输入端和加法器132的输入端，数模转换器133用于根据比较器134输出的比较结果信号，向信号放大单元131的输入端或加法器132的输入端输入模拟信号，以使比较器134输出包含设定波段的光信号的光强变化量的比较结果信号；三态门135的控制端连接比较器134的输出端C1，三态门135的输入端连接数模转换器133的输入端，三态门135用于根据比较器134输出的信号，输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
具体地，参见图6，传感控制单元中的兴奋型感光单元110将设定波段的光信号转换为电流信号I0，并输出电流信号I0至信号放大单元131。传感控制单元中的四个抑制型感光单元120分别将设定波段的光信号转换为电流信号I1至I4，并通过对应的抑制型控制电路140将电流信I1至I4传输至兴奋型控制电路130。信号放大单元131可以包括第一放大器131a，第一放大器131a能够对电流信号I0进行放大，以使电流信号I0和电流信号I1至I4在同一数量级，便于传感控制单元计算差分电流。
信号放大单元131将放大后的电流信号I0输入至比较器134的第一输入端，四个抑制型控制电路140分别将电流信号I1至I4通过导通的第一开关136输入加法器132的输入端，以使加法器132对电流信号I1至I4进行求和，并将求和结果输出至比较器134的第二输入端。比较器134对其第一输入端和第二输入端输入的信号进行比较，若前一时刻与后一时刻的比较结果一致，则比较器134不输出比较结果信号，若前一时刻与后一时刻的比较结果相反，则比较器134通过输出端C1输出包含设定波段的光信号的光强变化量的比较结果信号，该比较结果信号可以是例如0或1的数字信号。
数模转换器133可以将数字信号转换为模拟信号，并根据比较器输出的比较结果信号，向加法器132的输入端输入模拟信号IDA1，或者向信号放大单元131的输入端输入模拟信号IDA2。信号放大单元131还可以包括第二放大器131b，第二放大器131b可以根据模拟信号IDA2对电流信号I0继续放大，并将放大后的信号输入至比较器134的第一输入端。加法器132还可以对电流信号I1至I4以及模拟信号IDA1进行求和，并将求和结果输出至比较器134的第二输入端。比较器134继续对其第一输入端和第二输入端输入的信号进行比较，在前一时刻与后一时刻的比较结果相反时，输出包含设定波段的光信号的光强变化量的比较结果信号。
图7是本发明实施例提供的一种信号波形示意图，具体可以是图6中的数模转换器133输入的一种数字信号的波形示意图。示例性地，如图7所示，数模转换器133可以将该数字信号转换为模拟信号IDA1或模拟信号IDA2进行输出，该数字信号可以是人为输入的周期性变化的指定数字信号，例如图7所示数值大小随时间递增的阶跃数字信号。当某一时刻N_step时，比较器134输出比较结果信号发生变化，此时数字信号的取值为△I，则△I可作为表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。三态门135的控制端输入此时的比较器134的比较结果信号，数模转换器133的数字信号输入端与三态门135的输入端连通，数模转换器133输出的数值为△I的电流信号通过三态门135的输出端输出。
参见图7，在上述实施例的基础上，兴奋型控制电路130还包括与三态门135的输出端连接的存储单元137，用于存储并输出三态门135输出的信号。该存储单元137具体可以是寄存器、锁存器或忆阻器等。以存储单元137是寄存器为例，寄存器的位数可以根据数模转换器133的精度进行选择，例如选择4位寄存器。
图8是本发明实施例提供的一种兴奋型控制电路的电路结构示意图，具体可以是图7所示的兴奋型控制电路的具体化电路结构。示例性地，如图8所示，兴奋型控制电路连接兴奋型感光单元，兴奋型感光单元包括第一感光器件，第一感光器件可以是光电二极管PD11。兴奋型控制电路包括第一电路结构130a和第二电路结构130b，第一电路结构130a可模拟人眼视杆细胞，第二电路结构130b可模拟人眼水平细胞、双极细胞和无长突细胞。
结合图7和图8，具体地，光电二极管PD11连接电流镜131c，光电二极管PD11将设定波段的光信号的照射下产生电流信号I0，并输出电流信号I0至电流镜131c，该电流镜131c可实现图7中的信号放大单元131的功能，将电流信号I0放大N(例如N＝4)倍。图8仅示意性地示出了抑制型控制电路140输出的电流信号I1至I4，与电流镜131c输出的放大后的电流信号I0，通过一条连接线输入比较器134的情况，实际上比较器134是对电流镜131c输出的放大后的电流信号I0，以及电流信号I1至I4之和进行比较。若前一时刻与后一时刻的比较结果一致，则比较器134不输出比较结果信号，若前一时刻与后一时刻的比较结果相反，则比较器134输出包含设定波段的光信号的光强变化量的比较结果信号。数模转换器133将数字信号转换为模拟信号，并根据比较器134的比较结果信号输出模拟信号，通过模拟信号对电流信号I0继续进行放大，或者通过模拟信号对电流信号I1至I4之和继续进行累加，以使比较器134继续执行比较功能。在前一时刻与后一时刻的比较结果相反时，比较器134输出比较结果信号。比较器134输出比较结果信号发生变化时，三态门135将数模转换器133此时的数字信号输出，作为表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。存储单元137为寄存器，对三态门135输出的信号进行存储并输出。
示例性地，结合图7和图8，四个第一开关136包括开关M1至M4，开关M1至M4可以是晶体管，能够根据其控制端(例如栅极)接收到的控制信号而导通或关断。对应于不同的光照情况，开关M1至M4接收的控制信号有所不同，开关的开关情况有所区别。对于强光照的情况，例如目标光信号的光照强度大于50lux时，可以通过控制信号控制开关M1至M4均导通，此时抑制型感光单元中的光电二极管有效，兴奋型控制电路输出电流信号I0与电流信号I1至I4之间的差分信号，即差模信号。对于弱光照的情况，例如目标光信号的光照强度低于20lux时，可以通过控制信号控制开关M1至M4均关断，此时抑制型感光单元中的光电二极管失效，兴奋型控制电路输出电流信号I0，即共模信号。
开关M1至M4的导通情况的设置，可用于配置兴奋型控制电路的卷积差分电流计算，当光照条件允许时，红外仿生视觉传感器的图像采集速度较高，两帧图像间的差距很小。由于差分电流的计算速度较高，可以实现in pixel的1bit卷积差分电流计算，从而实现高速的图像特征提取。
在上述实施例的基础上，比较器134的输入端与接地端之间还可以包括电容Cpar，该电容Cpar可以是实际的电容结构，或者是兴奋型控制电路中的寄生电容，电容Cpar具有对比较器134的输入端的信号进行存储的作用，以保证兴奋型控制电路进行高速差分电流运算时的计算精度。
图9是本发明实施例提供的一种抑制型控制电路的结构示意图，如图9所示，可选地，抑制型控制电路140包括：与抑制型感光单元120连接的第二开关141以及与抑制型感光单元120和第二开关141连接的至少一个镜像开关142，抑制型控制电路140通过镜像开关142连接兴奋型控制电路130。
具体地，参见图9，抑制型控制电路140连接抑制型感光单元，抑制型感光单元包括第二感光器件，第二感光器件可以是光电二极管PD12。第二开关141和镜像开关142均可以是晶体管，能够根据其控制端(例如栅极)接收到的控制信号而导通或关断。第二开关141和每个镜像开关142分别形成镜像单元，以将光电二极管PD12根据第一设定波段的光信号产生的电流信号I1复制为四份，抑制型控制电路140能够将四份电流信号I1分别传输至周围的四个兴奋型控制电路，实现抑制型感光单元的复用，提升双模态红外仿生视觉传感器的像素填充因子。
在上述实施例的基础上，可选地，红外仿生视觉传感器采用异步事件地址表示方式输出表征设定波段的光信号的光强变化量的电流信号，输出信号的形式具体为(X，Y，P，T)。其中“X，Y”为事件地址，例如图4所示像素单元的坐标，“P”为4值事件输出(包括第一位符号位)，例如P值可代表光强变化量，“T”为事件产生的时间，例如拍摄时间。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种红外仿生视觉传感器，其特征在于，包括：
兴奋型感光单元和抑制型感光单元，所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元均用于提取目标光信号中设定波段的光信号，并将所述设定波段的光信号转换为电流信号；
传感控制单元，所述传感控制单元与所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元电连接，所述传感控制单元用于根据所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号；
其中，所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元分布在所述红外仿生视觉传感器中的不同区域，所述设定波段包括红外线波段；
所述兴奋型感光单元包括第一感光器件以及设置在所述第一感光器件上的第一滤光器件，所述抑制型感光单元包括第二感光器件以及设置在所述第二感光器件上的第二滤光器件；
所述第一感光器件为红外光敏器件，所述第二滤光器件为红外滤光器件；或者，所述第一滤光器件为红外滤光器件，所述第二感光器件为红外光敏器件；
所述传感控制单元还用于对所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元的光谱响应特性的一致性进行校正。
2.根据权利要求1所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述第一滤光器件为红外滤光器件，所述第二感光器件为红外光敏器件的情况下，所述第一感光器件为红外光敏器件；
和/或，所述第二滤光器件为红外滤光器件。
3.根据权利要求1所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述第一感光器件为红外光敏器件，所述第二滤光器件为红外滤光器件的情况下，所述第一滤光器件为红外滤光器件；
和/或，所述第二感光器件为红外光敏器件。
4.根据权利要求1-3中任一所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述兴奋型感光单元和所述兴奋型感光单元呈阵列排布，以形成像素单元；
所述传感控制单元用于根据所述像素单元中的所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
5.根据权利要求4所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述像素单元包括一个所述兴奋型感光单元和四个所述抑制型感光单元；四个所述抑制型感光单元围绕所述兴奋型感光单元设置，且分别与所述兴奋型感光单元相接。
6.根据权利要求5所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元的形状均为矩形，四个所述抑制型感光单元的顶角分别与所述兴奋型感光单元的四个顶角相接。
7.根据权利要求4所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，多个所述像素单元阵列排布以形成像素阵列，相邻两个所述像素单元共用一行或一列所述抑制型感光单元。
8.根据权利要求4所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述传感控制单元包括兴奋型控制电路以及与所述兴奋型控制电路连接的至少一个抑制型控制电路；
所述兴奋型控制电路连接所述兴奋型感光单元，所述抑制型控制电路连接所述抑制型感光单元，并与所述抑制型感光单元一一对应设置，所述抑制型控制电路用于将所述抑制型感光单元转换的电流信号传输至所述抑制型控制电路连接的所述兴奋型控制电路；
所述兴奋型控制电路通过开关与所述抑制型控制电路连接，所述开关用于根据接收到的控制信号导通或关断所述兴奋型控制电路和所述抑制型控制电路，所述兴奋型控制电路用于根据所述兴奋型感光单元和所述抑制型感光单元转换的电流信号之间的差异，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
9.根据权利要求7所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述兴奋型控制电路包括：信号放大单元、加法器、数模转换器、比较器、三态门和至少一个第一开关；
所述信号放大单元的输入端连接所述兴奋型感光单元，所述信号放大单元的输出端连接所述比较器的第一输入端；
所述抑制型控制电路通过所述第一开关连接所述加法器的输入端，所述加法器的输出端连接所述比较器的第二输入端；
所述数模转换器的输入端连接所述比较器的输出端，所述数模转换器的模拟信号输出端分别连接所述信号放大单元的输入端和所述加法器的输入端，所述数模转换器用于根据所述比较器输出的比较结果信号，向所述信号放大单元的输入端或所述加法器的输入端输入模拟信号，以使所述比较器输出包含所述设定波段的光信号的光强变化量的比较结果信号；
所述三态门的控制端连接所述比较器的输出端，所述三态门的输入端连接所述数模转换器的输入端，所述三态门用于根据所述比较器输出的信号，输出表征所述设定波段的光信号的光强变化量的电流信号。
10.根据权利要求9所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述兴奋型控制电路还包括与所述三态门的输出端连接的存储单元，用于存储并输出所述三态门输出的信号。
11.根据权利要求10所述的红外仿生视觉传感器，其特征在于，所述抑制型控制电路包括：与所述抑制型感光单元连接的第二开关以及与所述抑制型感光单元和所述第二开关连接的至少一个镜像开关，所述抑制型控制电路通过所述镜像开关连接所述兴奋型控制电路。
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