TW201929917A - 光學感測器 - Google Patents

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法蘭柯斯 丹內維爾
沃吉尼 侯爾
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法國里爾大學
法國里爾中央理工學院
法國綜合理工大學
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Abstract

本發明揭示一種光學感測器(1)，特別地一人造視網膜，其包括至少一個光敏電池，各電池包含：
- 一積分電容器(Cm )，
- 一讀取電路(10)，其之操作取決於該積分電容器(Cm )上之電荷，
- 至少一個MOS電晶體(3；31；32)，其在亞臨限值操作，且其之汲極-源極電流影響該積分電容器(Cm )上之該電荷，
- 至少一個光二極體(2；21；22)，其在光電壓模式操作，且經連接至此電晶體之閘極，使得該MOS電晶體之該汲極-源極電流取決於由該光二極體接收之光功率。

Description

光學感測器
本發明係關於一種能夠再現一生物視網膜之特定行為且尤其可用於仿生架構中之低功率電路。
已提供用於擷取且處理視覺資訊之各種系統，及用於治療視覺障礙之植入物。
專利申請案FR 2 953 394揭示一種人造視網膜，其包含：一基材；一第一層，其放置於基材上，包括由光電壓材料製成之部分，該等部分藉由由絕緣材料製成之一部分分離；及一第二層，其放置在第一層上且包括由導電材料製成之部分，該等部分藉由由絕緣材料製成之一部分分離。
專利US 5 865 839中描述之系統足夠小以至於能夠植入人眼中，且包括一組人造視網膜，其等之各者包含一偵測器元件及用於將入射光引導朝向偵測器元件的一光纖。光纖發射一輸出信號，其取決於入射光之強度。一耦合器允許此輸出信號耦合至人視網膜。
專利US 5 024 223揭示一種植入物，其包含植入一人視網膜之內層與外層之間之光二極體之一矩陣陣列。各光二極體之光作用區域指向入射光。植入物產生一振幅調變電流以便電刺激視網膜之內層。
專利US 6 046 444揭示一種像素結構，其包含在光電流模式操作之一光二極體，在該光電流模式中該光二極體被反向偏壓，其陽極連接至接地且其陰極連接至組態成源極隨耦器模式之一NMOS電晶體之閘極。
本發明旨在進一步改良光學感測器及特定言之視網膜植入物，尤其以便提供具有一極低電力消耗且能夠在一定程度上模擬視網膜之行為之一高效能感測器。
因此，本發明根據其態樣之一第一者係關於一種光學感測器，尤其一人造視網膜，其包括至少一個光敏電池，各電池包含：
- 一積分電容器，
- 一讀取電路，其之操作取決於積分電容器上之電荷，
- 至少一個MOS電晶體，其在亞臨限值操作，且其之汲極-源極電流影響積分電容器上之電荷，
- 至少一個光二極體，其在光電壓模式操作且連接至此電晶體之閘極，使得MOS電晶體之汲極-源極電流取決於藉由光二極體接收之光功率。
當一電晶體在亞臨限值操作時，其汲極-源極電流隨著稱為電晶體之弱反型區域(或「亞臨限值區域」)之區域中之閘極控制電壓呈指數變化，在該區域中閘極-源極電壓低於出現反轉區(即，在汲極與源極之間建立一導電通道)之臨限電壓。
由於光電轉換所致之光二極體之開路電壓Vco 施加於電晶體之閘極。由於光二極體之光電流與光生電壓Vco 之間之關係係對數的，故汲極電流實質上與光生電流成比例，且因此與光功率成比例。此係一值得注意的結果且允許電池對照明具有一大致線性回應。
本發明亦使光學感測器之大規模整合成為可能，此係因為使用一標準工業CMOS技術之可能性。
MOS電晶體可配置於電池內以對積分電容器進行充電或對其進行放電，此取決於讀取電路如何以此電容器上之電荷位準表現，且取決於期望電池在所接收照明下表現之方式。
因此，前述MOS電晶體可係一啟動電晶體，其經配置以在照明連接至其閘極之光二極體時對積分電容器進行充電。在此情況中，啟動電晶體較佳地係PMOS類型。
作為一變體，MOS電晶體可係一撤銷啟動電晶體，其經配置以在照明連接至其閘極之光二極體時對積分電容器進行放電。在此情況中，撤銷啟動電晶體較佳地係NMOS類型。
電池可包含並聯安裝且各藉由連接至一各自閘極且在光電壓模式操作之一個光二極體控制的複數個啟動電晶體，各啟動電晶體經配置以在照明光二極體時對積分電容器進行充電，電流用代數方法加至同一節點。
電池亦可包含並聯安裝且各藉由連接至一各自閘極且在光電壓模式操作之一個光二極體控制的複數個撤銷啟動電晶體，各撤銷啟動電晶體經配置以在照明光二極體時對積分電容器進行放電，電流用代數方法加至同一節點。
因此，可產生包括與期望一樣多的光二極體之一電池且可取決於所使用啟動及撤銷啟動電晶體之數目及對應光二極體之空間配置而產生在光照下具有許多不同行為之許多電池。
因此，在本發明之實施方案之實例中，電池包含：
- 至少一個MOS啟動電晶體，其在亞臨限值操作，且其之汲極-源極電流影響積分電容器上之電荷，
- 至少一個光二極體，其在光電壓模式操作且連接至此啟動電晶體之閘極，使得汲極-源極電流取決於藉由光二極體接收之光功率，啟動電晶體經配置以在照明光二極體時對積分電容器進行充電，
- 至少一個MOS撤銷啟動電晶體，其在亞臨限值操作，且其之汲極-源極電流影響積分電容器上之電荷，
- 至少一個光二極體，其在光電壓模式操作且連接至此撤銷啟動電晶體之閘極，使得汲極-源極電流取決於藉由光二極體接收之光功率，撤銷啟動電晶體經配置以在照明光二極體時對積分電容器進行放電。
在生物學中，視網膜之各個層之神經元各自覆蓋吾等視域之一個區域。其中一適合刺激物之存在修改一神經元之神經活動之此空間區域稱為此神經元之感受域。因此，雙極及神經節細胞之感受域具有圓形形狀，然而，其等中心及周邊相反地起作用：照射該感受域中心之一光射線當其落在周邊上時將具有相反效果。存在兩個類型之雙極細胞，其等感受域回應之方式不同。若中心之光刺激具有激發雙極細胞之效果，則雙極細胞經歷去極化。接著，細胞據稱係「開通」類型。僅落在此細胞域之周邊之一光射線將具有相反效果，即，膜之超極化。「關閉」類型之其他雙極細胞將展示完全相反行為：中心之光產生超極化，而周邊之光刺激具有激發細胞之效果。
開通及關閉細胞之優勢係偵測到一區域之中心與周邊之間之一對比度而非一點處之一光功率值。
藉由與生物視網膜類比，電池可係「開通」類型，包含複數個撤銷啟動電晶體及相關聯光二極體，與啟動電晶體相關聯之光二極體被與撤銷啟動電晶體相關聯之光二極體包圍。
電池可係「關閉」類型，包含複數個啟動電晶體及相關聯光二極體，與撤銷啟動電晶體相關聯之光二極體被與啟動電晶體相關聯之光二極體包圍。在一「開通」電池之情況中與撤銷啟動電晶體相關聯之光二極體或在一「關閉」電池之情況中與啟動電晶體相關聯之光二極體可經配置成一多邊形網格，尤其在電池內分別具有最少四個光二極體及撤銷啟動類型、啟動類型之對應電晶體。
感測器可以各種方式供應有電力。
光學感測器較佳地包含一獨立電源，其較佳地係光電壓的。因此，其可包含專用於將電力供應至感測器之與一或多個光敏電池相同之類型的一或多個光二極體，且較佳地包含並聯安裝之複數個光二極體，以便增加遞送電壓。
電力供應光二極體可具有各種配置。
較佳地，獨立電源包含放置於一光敏電池矩陣周圍或分佈於光敏電池之間的複數個光二極體。
可以各種方式產生讀取電路。讀取電路必須對一低突觸電流敏感，原因係在電池中使用在亞臨限值操作之一或多個電晶體。
讀取電路本身可由任何類型之通用量測電路組成，不存在關於電流或電壓操作之特定約束。
較佳地，讀取電路包含至少一個人造神經元。
舉例而言，人造神經元可係軸突丘型、莫里斯-萊卡型等之一尖峰神經元。
藉由與生物學類比，光二極體接著可對應於圓錐體或桿，相關聯電晶體對應於一或多個無長突、雙極及水平細胞且人造神經元對應於一尖峰產生神經節細胞。
有利地，人造神經元經配置以依取決於積分電容器上之電荷位準且因此取決於藉由至少一個光二極體接收之光功率的一頻率產生尖峰。
較佳地，人造神經元具有一極低電力消耗，且使用在亞臨限值操作之電晶體，以便以一低供應電壓(Vdd ＜Vt )起作用。
以完全較佳之一方式，至少人造神經元之尖峰電路藉由一電力供應器(VN 、VP )供應有電力，其之負電壓(VN )包括於-200 mV與0 mV之間且其之正電壓(VP )包括於0 mV與+200 mV之間。
較佳地，(VP －VN ) ＜ Vth ，Vth 係人造神經元之全部MOS電晶體之臨限電壓。
為簡單起見，為使供應神經元及感測器之各自電壓相同，Vp 較佳地選取為等於Vdd 。
根據一個完全特權變體，人造神經元包含：
- 一外部突觸電流輸入，其係由積分電容器之一端子定義，且其執行啟動及撤銷啟動電流之代數和，
- 一負回饋尖峰電路，其包含：
o 一橋接器，其包括PMOS及NMOS電晶體，其等串聯，且其等之汲極係藉由一中點連接至積分電容器，此中點定義人造神經元之輸出，
o 至少一個所謂的延遲電容器，其係在橋接器之電晶體之一者之閘極與源極之間，
- 級聯之僅兩個CMOS反相器，各CMOS反相器係由兩個電晶體組成，第一反相器之輸入經連接至積分電容器，且其輸出經連接至第二反相器之輸入且經連接至橋接器之電晶體中之一者之閘極，第二反相器之輸出經連接至橋接器之另一電晶體之閘極，或
- 僅三個CMOS反相器，其等之兩個反相器級聯，各CMOS反相器係由兩個電晶體組成，第一反相器之輸入經連接至積分電容器，且其輸出經連接至第二反相器之輸入，第二反相器之輸出經連接至該橋接器之電晶體之一者之閘極，第三CMOS反相器之輸入經連接至積分電容器，且第三CMOS反相器之輸出經連接至該橋接器之另一電晶體之閘極。
人造神經元之全部電晶體較佳地在亞臨限值操作，因此造成一低電力消耗。獨立於上文或結合上文，本發明亦係關於諸如下文中定義之以下變體：
- 人造神經元，其包含：
o 一外部突觸電流輸入，其藉由積分電容器之一端子定義且其執行啟動及撤銷啟動電流之代數和，
o 一負回饋尖峰電路，其藉由一電力供應器供應有電力，其之負電壓包括於-200 mV與0 mV之間且其之正電壓包括於0 mV與+200 mV之間，包含：
§ 一橋接器，其包括PMOS及NMOS電晶體，其等串聯且其等之汲極藉由一中點連接至積分電容器，此中點定義人造神經元之輸出，
§ 至少一個所謂的延遲電容器，其在橋接器之電晶體之一者之閘極與源極之間，
o 至少兩個CMOS反相器，其等在積分電容器與該橋接器之電晶體之閘極之間以便導致橋接器之電晶體取決於積分電容器之電壓而改變狀態且允許尖峰電路在積分電容器之電壓超過一預定義臨限值時產生最少一個尖峰，其中經由橋接器之電晶體之一者對積分電容器進行充電且經由另一電晶體放電。
- 人造神經元，其包含：
o 一外部突觸電流輸入，其藉由積分電容器之一端子定義且其執行啟動及撤銷啟動電流之代數和，
o 一負回饋尖峰電路，其包含：
§ 一橋接器，其包括PMOS及NMOS電晶體，其等串聯且其等之汲極藉由一中點連接至積分電容器，此中點定義人造神經元之輸出，
§ 至少一個所謂的延遲電容器，其在橋接器之電晶體之一者之閘極與源極之間，
o 至少兩個CMOS反相器，其等在積分電容器與該橋接器之電晶體之閘極之間以便導致橋接器之電晶體取決於積分電容器之電壓而改變狀態且允許尖峰電路在積分電容器之電壓超過一預定義臨限值時產生最少一個尖峰，其中經由橋接器之電晶體之一者對積分電容器進行充電且經由另一電晶體放電。
該神經元值得注意的係：連接至NMOS電晶體之延遲電容器之電容高於積分電容器之電容。
- 人造神經元，其包含：
o 一外部突觸電流輸入，其藉由積分電容器之一端子定義且其執行啟動及撤銷啟動電流之代數和，
o 一負回饋尖峰電路，其包含：
§ 一橋接器，其包括PMOS及NMOS電晶體，其等串聯且其等之汲極藉由一中點連接至積分電容器，此中點定義人造神經元之輸出，
§ 至少一個所謂的延遲電容器，其在橋接器之電晶體之一者之閘極與源極之間，
o 至少兩個CMOS反相器，其等在積分電容器與該橋接器之電晶體之閘極之間以便導致橋接器之電晶體取決於積分電容器之電壓而改變狀態且允許尖峰電路在積分電容器之電壓超過一預定義臨限值時產生最少一個尖峰，其中經由橋接器之電晶體之一者對積分電容器進行充電且經由另一電晶體放電。
該神經元值得注意的係其包含：級聯之兩個CMOS反相器，第一反相器之輸入連接至積分電容器且其輸出連接至第二反相器之輸入，第二反相器之輸出連接至該橋接器之電晶體之一者之閘極；及一第三CMOS反相器，其之輸入連接至積分電容器且輸出連接至該橋接器之另一電晶體之閘極。
在其他變體中，讀取電路包括一神經網路。
有利地，此神經網路包含稱為前神經元及後神經元之至少兩個人造神經元，其等藉由採取一刺激性或抑制性突觸之形式之一突觸電路連接在一起。
促進後神經元產生一動作電位之刺激性突觸使後神經元之膜去極化(即，提高其電位)且具有類似於生物學中之鈉通道之一作用。
阻礙後神經元產生一動作電位之抑制性突觸使後神經元之膜超極化(即，降低其電位)且具有類似於生物學中之鉀通道之一作用。
在某些特權子變體中，該神經網路採用包括在亞臨限值操作之電晶體之神經元。在此情況中，有利地，可藉由連接在正供應器VP 與後神經元之膜之間之兩個串聯電晶體表示一刺激性突觸：
· 一PMOS電晶體，其之閘極連接至前神經元之反相膜電壓。此信號可在來自任何適合反相器(屬於人造神經元或不屬於人造神經元)之輸出上進行收集，源極處於電位VP 。
· 一(N或P) MOS電晶體，其之閘極連接至一控制電壓V1，其允許控制後神經元之膜之充電電流。
有利地，可藉由連接在後神經元之膜與負供應器VN 之間之兩個串聯電晶體表示一抑制性突觸：
· 一NMOS電晶體，其之閘極連接至級聯之兩個反相器之輸出，其之輸入係前神經元之膜電壓。此信號可在來自級聯之一適合反相器對(屬於人造神經元或不屬於人造神經元)之輸出上進行收集，源極處於電位VN 。
· 一(N或P) MOS電晶體，其之閘極連接至一控制電壓V1，其允許控制後神經元之膜之放電電流。
根據本發明，各光敏電池有利地包含形成感測器之許多像素之複數個光二極體及相關聯電晶體，及按每電池之一單一讀取電路。像素可具有相同大小，且具有相同光二極體面積。然而，像素可具有不同大小，舉例而言，如對數感測器之情況。
最後，為使感測器對低光度更敏感且對高光度更不敏感且因此將尖峰之頻率限制於對光度之絕對值並不非常敏感之一頻帶，經由自動增益控制，使神經元在高光度下穩定且使其在低光度下不穩定可能係有用的。
此可在使用一光二極體(或一組光二極體)之感測器之高級變體中完成以命令一個(或複數個)電晶體發揮抑制性突觸之作用。
在低光度下，此突觸不具有效果且神經元可能非常敏感。在高光度下，抑制性突觸中產生之電流抑制膜，從而降低其敏感度。
圖1及圖2示意性地展示根據本發明之一光學感測器1。此一感測器可包含(如圖解說明)一PMOS電晶體3、一光二極體2、一積分電容器Cm 及一讀取電路10。
在圖1中，光二極體2藉由其陰極連接至電晶體3之閘極，其陽極連接至供應電壓Vdd 。電晶體3之汲極連接至積分電容器Cm 之一端子，亦形成讀取電路10之一輸入-輸出。
光二極體2在開路光電壓模式操作，其中跨其端子之電壓嚴格為正Vco ＞0，且流過其之電流為零。在此模式，光二極體能夠產生功率，與其中光二極體反向偏壓之常見模式(接收器模式)相反。
電晶體3在亞臨限值操作，且後者中之汲極電流隨閘極-源極電壓呈指數變化，且因此隨光二極體2之開路電壓呈指數變化。在亞臨限值操作之電晶體3可相當於一刺激性突觸。
自PMOS電晶體之電流-電壓關係獲取藉由光二極體產生之開路電壓Vco 與藉由電晶體輸出之電流Ids 之間之關係：
在方程式(1)中，Gp 係電晶體之電導，η係電晶體之電流-電壓特性Ids (Vgs )之理想因子且Vm 係跨諸如展示之電容器之端子之電壓。
光二極體之陰極連接至PMOS電晶體之閘極。此實際上意謂藉由以下表達式給出之光二極體之總電流I將為零：

其中Vt = kT/q係熱電壓，Is 係形成光二極體之PN接面之飽和電流且Iph 係藉由光二極體產生之光電流，該電流藉由下式定義：

其中q係一電子上之電荷，h係普朗克常數，ν係光信號之頻率，Q係量子效率且Popt 係光功率。
因此，照明產生一開路光生電壓Vco ，其可如此表達：

其中n係光二極體之電壓-電流特性之理想因子。
將(4)插入至(1)中，獲取下式：
假定理想因子n及η具有相同數量級，則獲取影響積分電容器Cm 上之電荷之電晶體3之汲極-源極電流的表達式：
在最常見情況中，光電流Iph 比無偏壓接面之反向電流Is 大得多。因此：
因此，獲取汲極-源極電流與光電流之間及因此汲極-源極電流與所接收光功率之間之一大致線性關係。
在圖2中，光二極體2係藉由其陽極連接至電晶體3之閘極，其陰極則係連接至供應電壓Vss 。電晶體3之汲極經連接至積分電容器Cm 之一端子，亦形成讀取電路10之一輸入-輸出。在亞臨限值操作之電晶體3可係相當於一抑制性突觸。
若讀取電路10係一人造神經元，則此汲極-源極電流可稱為一突觸電流。舉例而言，可調整突觸之「重量」：
· 藉由適合地選取電晶體之尺寸，及特定言之電晶體之電導Gp ，其與閘極之寬度成正比且與其長度成反比，
· 使用經放置於在亞臨限值操作之電晶體3與積分電容器Cm 之間之一(N或P)來調整電晶體4 (當電晶體3可比作一刺激性突觸時，該調整電晶體4係放置於在亞臨限值操作之電晶體3之汲極與積分電容器Cm 之間，如圖3中展示)。
總突觸電流可激發或抑制人造神經元，尤其取決於在亞臨限值操作之電晶體3之作用(分別地刺激性或抑制性突觸)。
神經元可容易連接至相鄰光電壓電池以便產生對對比度敏感之電池，如在一生物視網膜中。
圖4圖解說明呈一激發或抑制組態之光二極體之基本連接之一實例。
在未施加光功率之情況下，神經元10可係穩定的(不產生尖峰)或不穩定的(在低頻率產生尖峰)。
光二極體21連接至一PMOS電晶體31，其等效於人造神經元10之一刺激性突觸。光二極體21趨向於促進藉由神經元10產生尖峰或提高該等尖峰之頻率。光二極體22連接至一NMOS電晶體32，其等效於一抑制性突觸。光二極體22趨向於降低前述頻率。由於光二極體在開路中操作，故相同光二極體可連接至各種突觸而不修改其性質。
作為一變體，可藉由使複數個光二極體與相同神經元10相關聯而執行對所接收光信號之更複雜處理。
啟動及撤銷啟動電晶體之任何組合係可能的，此係因為全部電流將用代數方法加於同一節點，即，形成神經元之輸入-輸出之節點。
因此，可(舉例而言)產生生物視網膜之開通及關閉電池之等效物。
圖5展示具有與在中心發揮刺激性突觸之作用之一啟動電晶體31相關聯之一光二極體21及與並聯配置且在周邊發揮抑制性突觸之作用之撤銷啟動電晶體32相關聯之複數個光二極體22之一開通電池的一人造實施方案。將取決於應用且取決於標定特性來選取與撤銷啟動電晶體32相關聯之光二極體22之數目。
圖6展示具有與在中心發揮抑制性突觸之作用之一撤銷啟動電晶體32相關聯之一光二極體22及與並聯配置且在周邊發揮刺激性突觸之作用之啟動電晶體31相關聯之複數個光二極體21之一關閉電池的一人造實施方案。
圖7描述一基本關聯，考量一「正方形」(正方形或矩形)類型像素矩陣40，在該等像素中可考量由中心像素50及周邊像素55形成之子集。若將平行線繪製至圖5 (展示一開通電池之示意圖)，則圖7中心之像素50對應於光二極體，其之陰極連接至啟動PMOS電晶體(刺激性突觸)之閘極，而環繞中心像素50之四個周邊像素55使其等陰極連接至接地且使其等陽極連接至一撤銷啟動NMOS電晶體(抑制性突觸)之閘極。
為了光二極體之均勻照明，人造神經元將具有一相對較低或甚至零尖峰頻率。
若中心之像素50被強烈照明，則遞送至神經元之膜之總激發電流將增加且脈衝頻率亦增加。
若周邊之周邊像素55被強烈照明，則抑制電流之和將高於激發電流且神經元將不再產生尖峰(或極少；即，尖峰頻率相對較低，或甚至為零，如在均勻照明之情況中)。
亦可使用與圖7之電路之架構相同的一架構以便獲取諸如圖6中展示之一關閉電池，其中中心之像素50與一抑制性突觸(連接至一撤銷啟動電晶體之光二極體)相關聯且周邊之四個周邊像素55與刺激性突觸(連接至啟動電晶體之光二極體)相關聯。
組織成一「正方形」類型矩陣之拓撲可變成諸如圖8中展示之一六邊形組態。任何多邊形拓撲當然可行。
通常，對於N個激發像素及M個抑制像素之關聯，施加於神經元之總突觸電流Itot 如此表達：
在光二極體之一正常操作中，光電流Iph 比各個接面之反向電流Is 大得多。接著：
取決於應用，可能將藉由調整電晶體之參數(舉例而言，閘極寬度及長度)而調整電晶體之電導Gexc,i 及Ginh,j 。
由於人眼非常好，故期望一人造視覺系統能夠適應一場景之平均照度且能夠在低及高兩種光度下偵測輪廓及形狀。為實現此，可如圖9中圖解說明般使用複數個撤銷啟動電晶體32。因此，對於高光度，神經元將藉由撤銷啟動電晶體32中之一高電流超級化，藉此產生使積分電容器放電之洩漏，且在低光度之情況中，神經元將藉由此洩漏電流之減小或消失而去極化。
圖10及圖11展示產生一光學感測器1之操作所需之功率的兩種方式。在圖10中，光電壓供應電池100放置於像素周圍，且在圖11中，此等電池配置成與像素之列交替的列。在其中電力供應器整合至感測器中之情況中，為產生幾百mV之一足夠電壓，可能將串聯放置兩個或兩個以上二極體25，如圖12中圖解說明。
圖13示意性地圖解說明人造神經元10之一例示性實施例。在此實例中，人造神經元10包含級聯連接之兩個反相器5及6，第一反相器之輸出連接至第二反相器之輸入。第一反相器5之輸出連接至一PMOS電晶體8之閘極。第二反相器之輸出連接至一NMOS電晶體7之閘極。
電晶體7及8串聯電連接且形成介於供應電壓Vdd 與接地之間的一橋接器。藉由橋接器之電晶體之汲極之連接界定之中點9連接至積分電容器Cm 之一端子。積分電容器Cm 之另一端子連接至接地。
一電容器Ck 連接在接地與NMOS電晶體7之閘極之間。一電容器Cna 連接在Vdd 與PMOS電晶體8之閘極之間。
Iex 係外部激發電流，其對積分電容器Cm 充電或放電且其起源於一或多個啟動或撤銷啟動電晶體。
當跨積分電容器Cm 之端子之電位達到第一反相器5之臨限電壓時，接著一對應電位在藉由反相器5之一第一反相之後傳輸至PMOS電晶體之閘極，從而在藉由電容器Cna 定義之一延遲之後啟動PMOS電晶體。因此，藉由PMOS電晶體8之開放導電通道對積分電容器Cm 進行充電。此充電對應於輸出動作電位之上升前沿。
當達到第二反相器6之臨限電壓時，一對應電位傳輸至NMOS電晶體7之閘極，從而在藉由延遲電容器Ck 定義之一延遲之後啟動NMOS電晶體7，該延遲在考量實例中比PMOS之啟動延遲更長，此係因為Ck ＞ Cna 之選擇。因此，在有時間充電之後，積分電容器Cm 開始對NMOS電晶體7之導電通道之開口進行放電。此放電對應於輸出動作電位之下降前沿。
圖14示意性地展示根據另一例示性實施例之一人造神經元10，其與圖13之人造神經元之不同之處在於已新增一第三反相器12，第一反相器13在反相之後將輸出電位傳輸至橋接器之PMOS電晶體8之閘極且級聯連接之另外兩個反相器11及12將輸出電位傳輸至NMOS電晶體7之閘極。
反相器13及11之輸入連接至橋接器之中點9且連接至積分電容器，且反相器12之輸入連接至反相器11之輸出。
第三反相器之新增允許藉由獨立地調整反相器之臨限電壓而獨立地最佳化橋接器之電晶體之命令。
反相器之電壓增益及臨限電壓之調整影響人造神經元10之操作。
較佳地，產生動作電位之神經元之臨限電壓係向橋接器之PMOS電晶體供應電力之反相器之臨限電壓。可取決於速度或功率消耗目標來定義所使用反相器之數目。
在其中讀取電路不包括包括在亞臨限值操作之電晶體之一單一神經元而包括包括在亞臨限值操作之電晶體之神經元之一網路的變體中，其中突觸電路擁有兩個輸入且包含藉由其等汲極串聯連接之兩個電晶體的子變體將係較佳的，該等電晶體之至少一者係NMOS類型且藉由對應於突觸電路之第一輸入之一閘極電位進行控制，第二電晶體之閘極對應於突觸電路之第二輸入，且對應於NMOS電晶體之源極之突觸電路之輸出連接至後神經元之輸出電位。
舉實例而言，該突觸電路可對應於：
· 一刺激性突觸，其中突觸電路之第二輸入連接至用於輸入前神經元之膜電位之一反相器(較佳地前神經元之第一反相器)之輸出，且特定言之連接至前神經元之橋接器之PMOS電晶體之閘極，或
· 一抑制性突觸，其中突觸電路之第二輸入連接至串聯之兩個反相器(較佳地前神經元之級聯之兩個反相器)之輸出，該等反相器之第一者之輸入限於前神經元之膜電位，或
· 一抑制性突觸，其中突觸電路之第二輸入連接至前神經元之橋接器之NMOS電晶體之閘極。
當然，本發明不限制於剛剛已描述之例示性實施例。
本發明最特別地適用於視網膜植入物，但仍涵蓋廣泛應用。舉例而言，其可用於機器人、家庭自動化、影像及視訊之處理等。與根據本發明之光學感測器之一電池相關聯之人造神經元10之架構可能不同於上文中描述之架構。
1‧‧‧光學感測器
2‧‧‧光二極體
3‧‧‧PMOS電晶體
4‧‧‧(N或P)調整電晶體
5‧‧‧第一反相器
6‧‧‧第二反相器
7‧‧‧NMOS電晶體
8‧‧‧PMOS電晶體
9‧‧‧中點
10‧‧‧讀取電路
11‧‧‧第一反相器
12‧‧‧第二反相器
13‧‧‧第三CMOS反相器
21‧‧‧光二極體
22‧‧‧光二極體
25‧‧‧光二極體
31‧‧‧PMOS電晶體/啟動電晶體
32‧‧‧NMOS電晶體/撤銷啟動電晶體
40‧‧‧像素矩陣
50‧‧‧中心像素
55‧‧‧周邊像素
100‧‧‧光電壓供應電池/獨立電源
Cm‧‧‧積分電容器
Cna‧‧‧延遲電容器
Ck‧‧‧延遲電容器
Iex‧‧‧外部激發電流/外部突觸電流輸入
Vco‧‧‧開路電壓/光生電壓
Vdd‧‧‧供應電壓
Vm‧‧‧電壓
Vss‧‧‧ 供應電壓
在閱讀本發明之實施方案之非限制實例之以下詳細描述後且在檢查隨附圖式後可能將更佳地理解本發明，其中：
-圖1及圖2係根據本發明之一感測器之略圖；
-圖3圖解說明在藉由刺激性突觸與在亞臨限值操作之一電晶體相關聯之一光二極體之情況下調整突觸重量的一實例；
-圖4展示根據本發明之一感測器內之一啟動電晶體及一撤銷啟動電晶體之一基本關聯；
-圖5及圖6分別圖解說明一開通電池及一關閉電池之實施方案；
-圖7及圖8係分別展示呈一矩形網格及六邊形網格配置之一中心像素及其鄰近像素之一開通或關閉電池之矩陣表示；
-圖9圖解說明取決於藉由特定數目個像素接收之光功率控制尖峰之頻率的一實例；
-圖10及圖11分別展示感測器外部或整合至感測器中之一光電壓電力供應器之配置；
-圖12圖解說明一整合光電壓電力供應器之一實例；及
-圖13及圖14分別展示包括兩個反相器及三個反相器之一人造神經元之結構實例。

Claims (17)

  1. 光學感測器(1)，特別地一人造視網膜，其包括至少一個光敏電池，各電池包含： 一積分電容器(Cm )， 一讀取電路(10)，其之操作取決於該積分電容器(Cm )上之電荷， 至少一個MOS電晶體(3；31；32)，其在亞臨限值操作，且其之汲極-源極電流影響該積分電容器(Cm )上之該電荷， 至少一個光二極體(2；21；22)，其在光電壓模式操作，且經連接至此電晶體之閘極，使得該MOS電晶體之該汲極-源極電流取決於由該光二極體接收之光功率。
  2. 如前述請求項之感測器(1)，該電晶體(3；31)係一啟動電晶體，其經配置以在照明經連接至其閘極之該光二極體(2；21)時，對該積分電容器(Cm )充電。
  3. 如請求項2之感測器(1)，該啟動電晶體(3；31)係PMOS類型。
  4. 如請求項1之感測器(1)，該電晶體(32)係一撤銷啟動電晶體，其經配置以在照明經連接至其閘極之該光二極體(22)時，將該積分電容器(Cm )放電。
  5. 如請求項4之感測器(1)，該撤銷啟動電晶體(32)係NMOS類型。
  6. 如前述請求項中任一項之感測器(1)，該電池包含經並聯安裝且各藉由經連接至一各自閘極且在光電壓模式操作的一個光二極體(2；21)控制的複數個啟動電晶體(3；31)，各啟動電晶體(3；31)經配置以在照明該光二極體(2；21)時，對該積分電容器(Cm )充電。
  7. 如前述請求項中任一項之感測器(1)，該電池包含經並聯安裝且各藉由經連接至一各自閘極且在光電壓模式操作的一個光二極體(22)控制的複數個撤銷啟動電晶體(32)，各撤銷啟動電晶體(32)經配置以在照明該光二極體(22)時，將該積分電容器(Cm )放電。
  8. 如前述請求項中任一項之感測器(1)，該電池包含： 至少一個MOS啟動電晶體(3；31)，其在亞臨限值操作，且其之該汲極-源極電流影響該積分電容器(Cm )上之該電荷， 至少一個光二極體(2；21)，其在光電壓模式操作且經連接至此啟動電晶體(3；31)之閘極，使得該汲極-源極電流取決於由該光二極體(2；21)接收之光功率，該啟動電晶體(3；31)經配置以在照明該光二極體(2；21)時，對該積分電容器(Cm )充電， 至少一個MOS撤銷啟動電晶體(32)，其在亞臨限值操作，且其之該汲極-源極電流影響該積分電容器(Cm )上之該電荷，及 至少一個光二極體(22)，其在光電壓模式操作，且經連接至此撤銷啟動電晶體(32)之閘極，使得該汲極-源極電流取決於由該光二極體(22)接收之該光功率，該撤銷啟動電晶體(32)經配置以在照明該光二極體(22)時，將該積分電容器(Cm )放電。
  9. 如請求項8之感測器(1)，該電池係「開通」類型，包含複數個撤銷啟動電晶體(32)及相關聯光二極體(22)，與該啟動電晶體(3；31)相關聯之該光二極體(2；21)被與該等撤銷啟動電晶體(32)相關聯之該等光二極體(22)包圍。
  10. 如請求項8之感測器(1)，該電池係「關閉」類型，包含複數個啟動電晶體(3；31)及相關聯光二極體(2；21)，與該撤銷啟動電晶體(32)相關聯之該光二極體(22)被與該等啟動電晶體(3；31)相關聯之該等光二極體(2；21)包圍。
  11. 如請求項9或10之感測器(1)，在一「開通」電池之情況中與該等撤銷啟動電晶體(32)相關聯之該等光二極體(22)或在一「關閉」電池之情況中與該等啟動電晶體(3；31)相關聯之該等光二極體(2；21)係配置成一多邊形網格，尤其在該電池內分別具有最少四個光二極體及撤銷啟動類型、啟動類型之對應電晶體。
  12. 如前述請求項中任一項之感測器(1)，其包含一獨立電源(100)，其較佳地係光電壓的且其更佳地仍包含專用於將電力供應至該感測器(1)之與一些光敏電池相同之類型的一或多個光二極體；及較佳地經串聯安裝的複數個光二極體(25)。
  13. 如請求項12之感測器(1)，該獨立電源(100)包含經放置於一光敏電池矩陣周圍或分佈於該等光敏電池之間的複數個光二極體。
  14. 如前述請求項中任一項之感測器(1)，該讀取電路包含至少一個人造神經元(10)。
  15. 如請求項14之感測器(1)，該人造神經元(10)以取決於由至少一個光二極體接收之該光功率之一頻率來產生尖峰。
  16. 如請求項14及15中任一項之感測器(1)，該人造神經元(10)包含： 一外部突觸電流輸入(Iex )，其係由該積分電容器(Cm )之一端子定義，且其執行該等啟動及撤銷啟動電流之代數和， 一負回饋尖峰電路，其包含： 一橋接器，其包括PMOS (7)及NMOS (8)電晶體，其等串聯，且其等之該等汲極係藉由一中點(9)連接至該積分電容器(Cm )，此中點(9)定義該人造神經元(10)之輸出， 至少一個所謂的延遲電容器(Cna 、Ck )，其在該橋接器之該等電晶體(7、8)之一者之該閘極與該源極之間， 級聯之僅兩個CMOS反相器(5、6)，各CMOS反相器係由兩個電晶體組成，該第一反相器(5)之輸入經連接至該積分電容器(Cm )，且其輸出經連接至該第二反相器(6)之輸入且經連接至該橋接器(7；8)之該等電晶體之一者之該閘極，該第二反相器(6)之輸出經連接至該橋接器(7；8)之另一電晶體之該閘極，或 僅三個CMOS反相器(11、12、13)，其等之兩個反相器(11、12)級聯，各CMOS反相器係由兩個電晶體組成，該第一反相器(11)之該輸入經連接至該積分電容器(Cm )且其輸出經連接至該第二反相器(12)之該輸入，該第二反相器(12)之該輸出經連接至該橋接器之該等電晶體(7；8)之一者之該閘極，該第三CMOS反相器(13)之輸入經連接至該積分電容器(Cm )且該第三CMOS反相器(13)之輸出經連接至該橋接器之另一電晶體(7；8)之該閘極。
  17. 如前述請求項中任一項之感測器(1)，各光敏電池包含形成該感測器之許多像素之複數個光二極體及相關聯電晶體，及按每電池之一單一讀取電路(10)。
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