TWI821697B - 具有使用不同斜坡進行儲存及比較之數位像素儲存的增量影像感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種增量影像感測器，其包含有像素的一種排列及對應於至少一個像素並被形成為一積體電路之一部分的複數個擷取電路。每一個擷取電路包括至少一個感測器電路，該感測器電路包含有一光感測器，該光感測器被組配成產生一感測器信號，VSIG，其取決於照明該至少一個像素之該光感測器的一光信號；至少一個單斜率類比到數位轉換，A/D，電路，優選地至少一個單斜率A/D電路，其被組配成把一當前的VSIG轉換為一數位信號，其中該A/D電路被組配成使用複數個斜坡中之一個用於該類比到數位的轉換；至少一個數位儲存電路，其被組配成儲存對應於一前一VSIG之至少一個數位信號的一表示，該信號係藉由使用一儲存斜坡被產生的；至少一個數位比較電路，其被組配來把該儲存表示的該位準與藉由使用一比較斜坡所產生之該當前的VSIG進行比較以檢測是否存在一改變的位準；以及至少一個數位輸出電路，其被組配來在該改變之位準的該情況下產生一事件輸出。

Description

具有使用不同斜坡進行儲存及比較之數位像素儲存的增量影像感測器
發明領域
本發明涉及包含有複數個像素電路的一影像感測器，特別是使用不同斜坡進行類比到數位轉換以儲存及比較感測器信號之一表示的一影像感測器。
發明背景
每個像素用一個ADC或每個像素的小子集用一個ADC之影像感測器係眾所周知的。這些通常被使用在重要的處理係在該像素中被進行的應用中(例如X射線粒子軌跡追踪或衛星成像)。
具有一單斜率ADC其中每一個像素包括一比較器的影像感測器係已知的，例如在2015年Reckleben等人的著作、在2010年Suarez等人的著作、以及在2010年 Chi 等人的著作。特別的是，Suarez等人的著作全局地為該像素排列建立一類比斜率及數位代碼並且為該該素提供一數位代碼。
該數位值被儲存在該像素內並在樣本之間進行比較以產生事件變化資料的影像感測器係未知的。本發明能夠實現面積最佳化的小像素結構，其產生一高解析度及成本最佳化的感測器。
影像感測器，其中該前一照度位準的一表示被數位地儲存在像素中並且在樣本之間進行比較以產生事件變化資料，可從WO 2014/174498 A1中得知，而Itoh等人的著作，“4-Layer 3-D IC with a function of parallel signal processing”, Microelectronic engineering, vol 15, no. 1-4, 1991, 第187-190頁，則較早地提出了一種在概念上相關的結構，該結構具有與一固定位準之簡單的單一位元像素比較。
具有在該類比域中使用影像像素位準變化檢測、儲存及比較之事件產生的影像感測器係已知的，例如Chi等人的著作，“CMOS Camera With In-Pixel Temporal Change Detection and ADC”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 42, no. 10, 2007, 第2187-2196頁。在該類比域中的比較及儲存比起一數位方法來說提供有優點(例如緊緻的實現)也有缺點(例如逐漸的儲存劣化，包括有「熱像素」、對不匹配的敏感性、光到電轉換功能的靈活性降低)。
在像素之間共享電路的影像感測器係眾所周知的，例如 KR 2020-0029328 A。
頻閃效應的使用係眾所周知的，以及藉由在一干擾(不想要的信號)的一週期內平均或同步化來抑制諧波，例如 US 2015/358570 A1，其中該技術被應用於一相機中以檢測及同步化到一可變光源然後抑制對該光源的該響應。
WO 2020/080383 A1揭露了一種基於事件之動態視覺感測器，其具有一過濾器以基於相鄰像素的該事件狀態(單一位元)來忽略來自一個像素的事件。
T. Delbruck的著作“Frame-free dynamic digital vision”, Proceedings of the International Conference on Secure Life Electronics, Advanced Electronics for Quality Life and Society, 2008, 第21-26頁，揭露了基於該像素之最後一個事件的該時間戳、或相鄰像素的該時間戳從一動態視覺感測器過濾事件。該處理係在該像素陣列之外部被執行，需要以一種高運算成本的方式(32個位元的時間戳)來把該等事件傳輸到該陣列之外以進行後續的過濾。
EP 3 313 064 A1揭露了一種類比儲存動態視覺感測器，其中一個比較器輸入係該像素照度之該前一個值的一表示，其隨後被使用於比較。這可被視為來自該前一位準的類比反饋以控制該類比比較器的該後續功能，其被啟用(採樣)，當一數位事件輸出被產生時。
EP 2 933 995 A1 解決了在次臨界值操作中使用電晶體之動態視覺感測器的該標準類比儲存實現方式中該等不匹配的課題。由於在這種電晶體模式下的操作只能在一有限的範圍內正常地工作，因此它們使用全局類比反饋給該整個陣列之該等擷取電路的該類比部分以獲得令人滿意的操作。
WO 2020/229981 A1等等提出了一種方法使用多個斜坡作為基於斜率之ADC操作的一組成部分。首先針對具有一大振幅的一粗斜坡進行轉換，然後針對具有一小振幅的一細斜坡進行轉換，其中藉由該第一斜坡的該結果選擇該細斜坡的該範圍。該細斜坡可被理解為該粗斜坡的一種放大並且該方法可被使用來加速該ADC轉換。
可能會有一增量影像感測器的需求，該增量影像感測器包含有一改善的像素電路，該像素電路具有在該像素中該前一照明強度之一表示的一數位儲存。
發明概要
這一種需求可由該等獨立請求項的技術主題來被滿足。在該等從屬請求項中定義了有利的實施例。
本發明實施例潛在的發想可特別地被解讀成係基於以下的觀察及認知： CMOS(互補金屬氧化物矽)影像感測器在經最佳化的代工工序中以專業的加工工序被大量地生產。CMOS數位邏輯裝置採用經最佳化的代工工序被大量地生產。這兩種加工工序的該密度都在增加，尤其是該邏輯加工工序的密度。該增加的密度允許增加在一影像感測器中有關於像素電路的數位複雜性。
在一像素電路中一前一位準的數位儲存在該儲存的保真度方面及該被儲存位準的該後續處理方面中具有優勢。
由於冗餘資料的該傳播及處理係有限的，因此該等位準的本地處理在功率及面積方面具有效率優勢。
本發明揭露了一種結構及方法，其中數位轉換及儲存被合併在像素電路中，伴隨有在時間及位置上之該等差異的局部評估以及事件資訊的準備及傳播。
本發明被限定在獨立請求項中。從屬的請求項描述了其較佳的實施例。
本發明涉及一種增量影像感測器，其包含有像素的一種排列及對應於至少一個像素並被形成為積體電路一部分的複數個擷取電路。每一個擷取電路包括至少一個感測器電路，該感測器電路包含有一光感測器，該光感測器被組配成產生一感測器信號，VSIG，其取決於照明該至少一個像素之該光感測器的一光信號；以及至少一個類比到數位，A/D，轉換電路，其被組配成產生對應於一當前VSIG 的一數位表示，其中該A/D電路(12)被組配成使用複數個斜坡中的一個用於該類比到數位轉換。優選地，該A/D轉換電路係一種單斜率A/D電路(12)。至少一個數位儲存電路被組配成儲存藉由使用一儲存斜坡被產生之至少一個前一VSIG的一表示。至少一個數位比較電路被組配來把該儲存表示的該位準與藉由使用一儲存斜坡被產生之該當前的VSIG進行比較，以檢測是否存在一改變的位準。至少一數位輸出電路被組配來在該改變的位準該情況下產生一事件輸出。 各種實施例可以優選地實現該等以下的特徵：
根據本發明的一方面，在一類比掃描信號與一數位代碼之間的一關係在一儲存斜坡與一比較斜坡之間被改變及/或其中該儲存斜坡及該比較斜坡有一固定的電壓差異。
根據本發明的另一方面，在一類比掃描信號與一數位代碼之間的一關係在一儲存斜坡與一比較斜坡之間被改變及/或其中該儲存斜坡及該比較斜坡具有取決於該VSIG電壓位準之一可變的電壓差異。
根據本發明的另一方面，取決於該像素狀態，即該前一個事件輸出極性或任何前一個數位結果，該儲存斜坡及該比較斜坡的該使用由該像素來倒換。通常，該不同的像素狀態對應於一不同的前一事件輸出極性，或優選地對應於任何不同的前一數位結果。
根據本發明的另一方面，一或多個儲存斜坡及一或多個比較斜坡由該等像素取決於它們的像素狀態被套用及被使用，以提供多個差異函數。
根據本發明的另一方面，一或多個儲存斜坡及一或多個比較斜坡由該等像素被套用及被使用以提供多個差異函數，該套用及使用與它們的狀態無關。
根據本發明的另一方面，該數位比較電路被組配成在該斜坡期間執行該儲存表示的該位準與該當前VSIG的該比較，優選地在該斜坡期間不用記憶該比較的數位值。
根據本發明的另一方面，該數位比較電路被組配成在該斜坡之後執行該儲存表示之該位準與該當前VSIG的該比較，優選地在該斜坡期間要記憶該比較數位值。
每一個擷取電路可被形成為一積體電路或為一積體電路的一部分。在整個說明書中，該擷取電路也可以被稱為像素電路。該至少一個感測器電路可以連續地或週期性地產生一感測器信號。該類比到數位轉換電路可把一當前的VSIG轉換為一數位信號。該數位儲存電路因此可以被組配來儲存對應於一前一VSIG之至少一個數位信號的一表示。一當前及一前一VSIG的該等數位表示可由該至少一個數位比較電路來進行比較。該前一VSIG，或該VSIG的數位表示可分別對應於在任何前一採樣週期中所產生並被儲存在該數位儲存電路中的一信號。它也可以從外部被提供並被儲存為一參考信號。此外，在該電路中可包含至少一條事件輸出線以輸出來自該增量影像感測器的該事件輸出。該至少一條事件輸出線也可以由多個數位輸出電路來共享。
優選地，每一個擷取電路在至少兩個像素之間被共享，其中優選地該等像素彼此相鄰。
優選地，該感測器電路被組配成基於以下關係中之一個來產生VSIG： a) 對該光強度的一線性相依性， b) 對該光強度之一非線性的、優選地係對數式的相依性，以及 c) 對該光強度之一非線性及一線性相依性的一種組合， 其中優選地該關係可改變的以回應於一控制信號。
可以從該像素陣列及擷取電路的外部來提供該控制信號。可能有一個控制信號用於該整個陣列，或更為針對性。
優選地，該感測器電路被組配成改變VSIG對該光強度的該相依性以回應於在操作期間的一控制信號，優選地係不時地改變，及/或該感測器電路被組配成改變VSIG對該光強度的該相依性以各別地針對至少一個像素或一像素子集回應於在操作期間的一控制信號。
該控制信號不時地變化可能係由於全局光強度或操作模式的一變化所造成的。可以提供用於不時地產生控制信號變化之一單獨的電路。
優選地，該影像該感測器更可以實現該等以下的特徵： a)該類比到數位轉換電路可以包含一比較器，其被組配來把該VSIG與該等以下掃描信號之一個進行比較： aa) 一掃描類比輸入信號，以及 ab) 循序掃描類比輸入信號，其中該等掃描類比信號的每一個提供一不同的差異函數， 其中優選地該輸入信號被提供給複數個轉換電路，及/或 b)該類比到數位轉換電路更可被組配來向至少一個像素提供與該掃描類比信號並行的至少一個數位代碼， ba)其中優選地，該數位代碼係一格雷編碼的數位信號，以及 bb)其中優選地，在該類比掃描信號與該數位代碼之間的該關係在一儲存斜坡與一比較斜坡之間被改變。
根據以上的bb)，該儲存的數位值係由在該儲存斜坡期間該比較器切換處之該點來被確定的。該隨後、差異化的、比較斜坡及相應的數位代碼確定被使用來與該儲存的數位值進行比較的該值。藉由提供一不同的儲存斜坡及比較斜坡，並且比較針對該等數位代碼之該可易於計算之差異符號的該等數位值，一減法功能被實現，其中該減法的該大小係由在該等斜坡中的該差異來被給出。
實例：如果在該儲存斜坡期間數位代碼A被記錄而在該比較斜坡期間數位代碼B被讀取出，並且 B≥A，則在比較期間的VSIG大於在該儲存斜坡期間的VSIG +在該等斜坡之間的該差異。換句話說，使用該比較斜坡所產生之當前VSIG，VSIG(B)，等於該前一VSIG，VSIG(A)，和在該儲存斜坡與該比較斜坡之間該差異D的總和，即我們產生該結果： VSIG(B) ＞ VSIG(A) + D。
該差異D可以具有一正值或一負值。
由於該等斜坡的產生優選地係全局的，該減法功能可對所有的像素被全局地實現，並且該實現方式在裝置面積及功耗方面係有效的。該差異可被自由地選擇並且可以小於、等於、或大於在一數位代碼之間的該斜坡電壓階躍。
一減法功能通常被使用來實現滯後。
在該等斜坡之間的該差異可以在遍及該斜坡電壓上變化，因此該有效的差異取決於該像素照明。該可變差異再次優選地針對所有的像素被全局實現，因此在裝置面積及功耗方面該實現方式係有效的。
如前所述，該差異D可具有如上述實例中的一正值或一負值。可替代地，該等儲存及比較斜坡的意義可取決於該像素狀態被倒換，典型的像素狀態為該前一事件的方向。這實現了取決於該像素狀態之具有該反向符號的一差異函數。這個可逆的差異再次優選地針對所有的像素被全局實現，因此在裝置面積及功耗方面該實現方式係有效的。
換句話說，該等相同的斜坡可被套用到所有的像素，例如斜坡A及斜坡B。然而，取決於該像素的該狀態，該像素可以使用斜坡A作為儲存並且使用斜坡B作為比較。但其他像素可能會做出一不同的選擇，斜坡B作為儲存而斜坡A作為比較。那麼斜坡A係一些像素的該儲存斜坡而係其他像素的該比較斜坡。
多個比較斜坡，或多個儲存斜坡，也是有可能的。這允許對多個差異進行循序式的比較，這可被使用來確定例如大事件或小事件。
該差異函數實現的該簡化特別地能夠在該斜坡期間實現該數位代碼該直接符號差異計算(儲存及比較)。這消除了在該斜坡結束之前要記住該比較值以進行後續比較的該必要性。
此外， a) 該掃描信號可能係一線性斜坡，或 b) 該掃描信號可能係一非線性斜坡，或 c) 該掃描信號可在操作期間被改變，及/或 d) 該掃描信號的一周期可在操作期間被改變，及/或 e) 在操作期間，該掃描信號的該等重複可能會被中斷一短周期或延長的周期，及/或 f) 該掃描信號的一重複率可從一或多個與照明該光感測器該光信號之一光源調變相對應的重複率中被選出，優選地以增加或抑制一事件輸出。
特別地是，在以上的f)項之下，該掃描信號的一重複率可從一或多個與照明該光感測器該光信號之一光源調變相對應的重複率中被選擇出，優選地以增加或抑制對一目標的響應，例如具有一給定頻率的該光源或以抑制對具有一給定頻率之干擾的一響應。
優選地，該影像感測器更包含至少一個參考像素，該參考像素被組配來設置該等掃描斜坡限制，其中優選地該至少一個參考像素被置於像素的該排列之外，及/或其中優選地該至少一個參考像素在參考條件之下被偏置。
優選地，該數位比較電路被組配成在該類比信號的該掃描期間與該儲存的位準進行比較，或該數位比較電路被組配成在該類比信號的該掃描之後與該儲存的位準進行比較。
「在該類比信號的該掃描期間」及「在該掃描類比信號期間」可以表示相同的過程。
特別的是，如果在該類比信號的該掃描期間進行該比較，則不需要儲存該A/D輸出值，只需儲存該比較的該結果。這導致更少的記憶體需求，但須更多的比較。如果在該類比信號的該掃描之後進行該比較，則不需要儲存該A/D輸出值。這增加了該記憶體需求，但會減少所需比較的該次數。
優選地， a) 該數位比較電路被組配成使用在該像素電路中的靜態邏輯來執行比較，或 b) 該數位比較電路被組配成使用在該像素電路中的動態邏輯來執行比較，及/或 c) 該數位比較電路被組配成執行具有一滯後的比較，及/或 d) 該數位比較電路被組配成執行需要在操作中不時地改變一差異的比較。
優選地，該輸出電路被組配成取決於在相鄰像素中該比較電路的該比較結果來產生一輸出，或該輸出電路被組配成在一種固定組配中或在操作期間會被改變的一種組配中取決相鄰像素的一函數來產生輸出，其中優選地該函數係一平均函數，及/或該輸出電路被組配成如果該比較之該比較的一變化率超過一特定的臨界值則產生一輸出。
優選地， a) 該輸出電路被組配成取決於在相鄰像素中的該輸出來產生一輸出，或 b) 該輸出電路被組配成取決於在相鄰像素中該等儲存的位準來產生一輸出，或 c) 該輸出電路被組配成取決於複數個儲存的值來產生一輸出。
優選地， a) 該輸出電路被組配成產生指出該改變位準之該方向的一事件輸出，及/或 b) 該輸出電路被組配成產生僅指出在一個方向上一改變位準的一事件輸出，及/或 c) 該輸出電路被組配成產生指出該改變位準之該大小一事件輸出，及/或 d) 該輸出電路被組配成產生指出在該改變位準之前及/或之後該照明強度的一事件輸出。
優選地， a) 該數位儲存電路被組配成在像素之該排列的輸出線上提供該儲存的數位表示，及/或 b) 該數位儲存電路被組配成在像素之該排列的輸出線上選擇性地為具有一事件輸出的像素提供該儲存的數位表示，及/或 c) 該數位儲存電路被組配成使用事件行線在輸出線上提供該儲存的數位表示，及/或 d) 該數位儲存電路被組配成把該儲存的數位表示寫入到該等像素，及/或 e) 該數位儲存電路被組配成從一資料流寫入該儲存的數位表示，及/或 f) 其中該數位儲存電路被組配成從作為一事件流的一資料流寫入該儲存的數位表示。
該等輸出線可被提供為單一條或多數條。它們也可以在該輸出電路之間被共享。也可被提供有一輸出電路。
此外，在該擷取電路中該儲存的數位表示也可以從該陣列外部被寫入。前一個輸出可被寫回到該等儲存的像素數位位準中以提供用於該電路的一變化參考。然後電路將只報告針對該參考的變化。通常影像資料將代表所有的像素。然而，一事件流僅包含變化，因此資料較少。因此，寫回一事件流允許有較低的資料率。
優選地，該感測器電路接收來自對應於該儲存數位位準之該數位儲存電路、或相鄰像素之該儲存數位位準的一反饋，並且該感測器電路被組配成取決於該反饋來產生VSIG。該A/D電路可接收來自該儲存數位位準、或相鄰像素之該儲存數位位準的反饋，並且可被組配成取決於該反饋來調整該輸出信號。
優選地，該感測器電路被組配成提供VSIG，及/或該影像感測器係由多個半導體層所構成，其中每一階層針對該層的該功能被最佳化。
特別地是，VSIG的一類比表示或一類比位準可被提供並且直接從該電路或該陣列被讀出。
多組擷取電路可被連接到一共用的、或多條共用的事件輸出線。
一組擷取電路可以共用以下電路元件中的至少一個，(a)數位輸出電路，(b)數位比較電路，(c) 附加地數位儲存電路，(d)附加地類比到數位轉換電路。該等附圖係代表性的，共享元件的其他種組合方式並不被排除在外。
本發明還可以包括一種使用具有一掃描類比信號及一數位代碼之比較器來進行類比到數位轉換的實現方式。
本發明在一多矽層裝置上提供事件產生，這在上面所提及之Itoh等人的著作中並沒被揭露。
在一實施例中，該實現方式使用不同的儲存及比較斜坡用該於類比到數位的轉換來產生一或多個有效的差異函數。
在影像感測器中像素之間共享電路(例如 KR 2020-0029328 A)對於欲產生一密集像素陣列及一高像素解析度的影像感測器設計來說至關重要。本發明以一種時間循序的方式使用數位儲存及事件運算，其特別地適用於在像素之間的該資源共享而不會降低性能。
此外，本發明把US 2015/358570 A1所揭露技術的使用擴展到動態視覺感測器，其中使用具有一全局定時的數位儲存及處理係有效的，並且在減少產生事件數量中的該影響對於該功耗及後續處理方面係重要的。
藉由像素內數位儲存所實現的本發明可基於在相鄰像素中該等儲存的數位位準(多個位元)來選擇性地產生事件。此選擇性過濾之一特定的組配可被使用來實現與由WO 2020/080383 A1所揭露之該單一位元過濾有相同的結果。
此外，與例如在上面所提及T. Delbruck的著作相比，由於用於降低時間戳複雜性的該A/D轉換技術，本發明具有一固有的時基，並且能夠在無需進一步傳輸的情況下對該等事件進行本地、數位、時間濾波。
本發明基於該儲存的數位位準或事件輸出來調變該等類比電路參數，因為這種反饋係以在數位控制下的開關被有效地實現(表面面積)，這與上述EP 3 313 064 A1所揭露的內容不同。
與上述的EP 2 933 995 A1相比，本發明提出了基於該本地儲存像素數位位準或事件輸出來進行該等類比電路參數的調變，因為這種反饋係以在數位控制下的開關被有效地實現(表面面積)。這與 EP 2 933 995 A1的功能(局部像素)、實現方式(數位控制)及目的有所不同。
本發明利用數位像素內轉換及儲存的該等優點實現了一面積最佳化之(小的)像素結構，其產生高解析度及成本最佳化的感測器。
靜態背景減除(例如WO 2020/229981 A1)係基於事件之動態視覺感測的一固有部分並被實現在該影像感測器內部。在該影像感測器像素陣列中使用數位儲存並向該儲存提供一寫入功能，本發明使用該動態視覺感測器之該固有的差異功能來提供靜態或動態背景(或參考)減法以及一真實的事件輸出。
如以上所述，在WO 2020/229981 A1中的該細斜坡可被理解為該粗斜坡的一種放大並且該方法可被使用來加速該ADC轉換。該等多數個斜坡(加速轉換)之該使用的該目的與本發明的目的不同(信號差異的面積及功率效率運算)，因此，該等斜坡的該本質不同(在WO 2020/229981 A1中的縮放斜坡對比於在本發明中故意地被偏移的斜坡)。
較佳實施例之詳細說明 圖1根據本發明示意性地圖示出一第一示例性組配。一增量影像感測器，也稱為影像感測器，包含像素的一種排列及至少一個擷取電路(1)。該擷取電路(1)也可被稱為像素電路。該等電路被形成為一積體電路的一部分。每一個像素的該擷取電路(1)包含至少一個感測器電路(11)，該感測器電路(11)包含有一光感測器，其取決於照明該至少一個像素之該光感測器的一光信號或該照明強度產生一感測器信號(VSIG)，以及至少一個類比到數位轉換電路(12，A/D轉換器)。該數位轉換電路(12)可被連接到該感測器電路(11)的該輸出。至少一個數位儲存電路(13)被組配成儲存對應於一前一VSIG之至少一個數位信號的一表示。該數位儲存電路(13)可被連接到該A/D轉換器(12)的該輸出。至少一個數位比較電路(14)被組配成把該儲存表示的該位準與該當前的VSIG進行比較以檢測是否存在一改變的位準。該數位比較電路(14)可被連接到該數位儲存電路(13)的該輸出及A/D轉換器(12)的該輸出。至少一個數位輸出電路(15)或數位事件發生電路被組配成在該改變的位準的該情況下產生一事件輸出。該輸出電路(15)可被連接到該數位比較電路(14)的該輸出。
至少一條事件輸出線(16)可被包含在該像素電路(1)中或在該像素電路(1)之外以輸出來自該增量影像感測器的該事件輸出。該至少一條事件輸出線(16)也可以由多個數位輸出電路(15)所共享。
這個第一示例性像素組配使得能夠檢測在一間隔時間內一改變的照明強度。當該數位比較電路(14)檢測到在該儲存信號之該數位表示與在該間隔後該數位表示之間的一差異並且該差異滿足一給定的準則時，一事件被產生並且把該變化的該事實作為事件資訊被報告在該影像感測器的該輸出處。
該位準的一數位儲存在一系列的應用中可能係優選的，因為(i)該儲存的位準不會隨時間退化，(ii)該儲存電路(13)在實體上可以更小，(iii)該值可很容易地被使用於相鄰單元格中，(iv)該值可以更靈活地被使用來實現與其他像素或前一值的組合功能。
在一另外的示例性組配中，如在圖2中所示，該像素電路的部分在像素子集之間被共享。然後以一種時間循序的方式來執行該等共享元件的該使用。
圖2a展示出該事件產生電路(15)的該共享，圖2b展示出該事件產生電路(15)及數位比較電路(14)的該共享，圖2c展示出該事件產生電路(15)、數位比較電路(14)及該數位儲存電路(13)的該共享，圖2d展示出該事件產生電路(15)、數位比較電路(14)、該數位儲存電路(13)及A/D轉換電路(13)的該共享。
請注意，其他共享組配也係可能的，上面的列表並不排除這些可能性。也可以在一不同範圍上共享不同的功能，例如在4個像素上的該A/D轉換電路(12)及在16個像素上的該事件產生電路(15)。其他的組配也可能會是有利的。
本發明的一個示例性實施例把該光照明強度信號轉換為具有一線性關係的一類比電氣信號。該實施例在低光照位準下是有利的，其在一光電二極體模式上整合該電荷並且使用針對影像擷取應用被最佳化的商用標準電池。
本發明一另外的示例性實施例把該光照明強度信號轉換為具有一對數式關係的一類比電氣信號。該實施例在光照明信號的一高動態範圍方面係有利的，因為該輸出類比信號不會在一大範圍的照明強度上飽和。
本發明之另一個示例性實施例使了用轉換的一種組合，其使用了線性及對數函數，或類似的非線性函數組合作為一響應曲線。該實施例有利於實現良好的低光照明性能及一高動態範圍。一第一實施例使用具有一組合功能之一固定的組配。
一另外的示例性實施例允許一組配使得在操作期間針對像素的該完整排列來改變該響應曲線。這優選地可取決於該全局照明條件或該影像感測器應用的操作模式來執行。
一另外的示例性實施例允許一組配使得在操作期間獨立地針對像素子集來改變該響應曲線。這優選地可取決於局部照明條件或該影像感測器應用的關注焦點來執行。
圖4a、及b係示意圖，其各自展示出一比較斜坡與一儲存斜坡以及各自的數位代碼。每一個斜坡都被產生為隨時間變化的一電壓，並伴隨有在該斜坡期間每隔一段時間作變化的一數位代碼。該等儲存及比較斜坡係按順序被產生的(不是同時被產生的)。
在圖4a中，該比較斜坡及該儲存斜坡兩者都係線性的，並顯示為具有一恆定差異的平行線。
在圖4b中，該比較斜坡包含兩個線性部分，其中該第一部分具有一較小的斜率而該第二部分具有一較大的斜率。在這個實例子中，該儲存斜坡係線性的。如在圖4B中所示，在該儲存斜坡與該比較斜坡之間的該差異會變化。在該比較斜坡該第一部分的該區域中，數位代碼愈大該差異變得愈小，而在該比較斜坡該第二部分的該區域中，數位代碼愈大該差異變得愈大。這種形式係示例性的，並且其他的形式可被使用。
如以上所討論的，該儲存的數位值係由在該儲存斜坡期間該比較器切換處之該點來被確定的。該隨後、差異化的、比較斜坡及相應的數位代碼確定被使用來與該儲存的數位值進行比較的該值。藉由提供一不同的儲存斜坡及比較斜坡，並且比較針對該等數位代碼之該可易於計算之差異符號的該等數位值，一減法功能被實現，其中該減法的該大小係由在該等斜坡中的該差異來被給出。
如在圖4a該實例中所示，如果數位碼A，例如「 02 」，在該儲存斜坡期間數位被記錄，而數位代碼B，例如「03」，在該比較斜坡期間被讀取出，並且 B≥A，則在比較期間的VSIG大於在該儲存斜坡期間的VSIG +在該等斜坡之間的該差異。換句話說，在該比較斜坡期間所產生之當前VSIG，即VSIG(B)，大於該前一VSIG，即VSIG(A)，與在該儲存斜坡與該比較斜坡之間該差異D的總和，即： VSIG(B) ＞ VSIG(A) + D。
該差異D可以具有一正值或一負值。
由於該等斜坡的該產生優選地係全局的，該減法功能可針對所有的像素被全局地實現，並且該實現方式在裝置面積及功耗方面係有效的。該差異可被自由地選擇並且可以小於、等於、或大於在一數位代碼之間的該斜坡電壓階躍。
一減法功能通常被使用來實現滯後。
如在圖4b中所示，在該等斜坡之間的該差異可能在遍及該斜坡電壓上變化，因此該有效的差異係取決於該像素照明。該可變的差異再次優選地針對所有的像素被全局地實現，因此在裝置面積及功耗方面該實現方式係有效的。
如前所述，該差異D可具有如上述實例中的一正值或一負值。可替代地，該等儲存及比較斜坡的該意義可取決於該像素狀態被倒換，典型的像素狀態為前一事件的方向。這實現了取決於該像素狀態之具有反向符號的一差異函數。這個可逆的差異再次優選地係針對所有的像素被全局實現，因此在裝置面積及功耗方面該實現方式係有效的。
換句話說，該等相同的斜坡可被套用到所有的像素，例如斜坡A及斜坡B。然而，取決於該像素狀態，該像素可以使用斜坡A作為儲存並且使用斜坡B作為比較。但其他像素可能會做出不同的選擇，斜坡B作為儲存而斜坡A作為比較。那麼，斜坡A係一些像素的該儲存斜坡而係其他像素的該比較斜坡。
多個比較斜坡，或多個儲存斜坡，也是有可能的。這允許對多個差異進行循序式的比較，這可被使用來確定例如大事件或小事件。
該差異函數實現的該簡化特別地是能夠在該斜坡期間實現該數位代碼該直接的符號差異計算(儲存及比較)。這消除了在該斜坡結束之前要記住該比較值以進行後續比較的該必要性。
在一個示例性實施例中，根據圖3，使用在該像素電路(1)中的一比較器及被施加到該像素電路的類比掃描信號來執行從類比(VSIG)到數位表示的該轉換。取決於該比較器輸出切換的該點，一數位表示被複製到該數位儲存電路(13) 。
在一衍生的實施例中，該類比掃描信號係一線性斜坡；在一另外的實施例中，該類比掃描信號係一非線性斜坡，例如一指數斜坡。
由於該掃描信號可被集中式地產生，一非線性斜坡的該實現方式係有利的，因為針對該電路之該額外的複雜性在該裝置上只需要一次即可，其提供了(i)一面積節省及(ii)用於所有像素之匹配的功能。
特別地是，該斜坡的該修改可被使用來補償該感測器電路(11)中的非理想特性，或補償在溫度或其他環境條件上的變化。
特別地是，可以藉由類比或數位構件進行修改。
特別地是，可以參考在該裝置上的測試單元格來執行該修改。這種實現方式係有利的，因為在該等測試單元格中所反映之非理想特性的該補償係自動的。
在一個示例性實施例中，對整個像素排列同時地提供相同的類比掃描斜坡。在一衍生出的實施例中，不同的類比掃描斜坡被套用到該排列的子集。
當該等感測器電路(11)的該等特性在遍及像素排列上做變化(故意的單元格變化或肇因於加工工序或光學組配)的情況下，使用不同的斜坡係有利的，並且這種變化可藉由提供不同的斜坡來被補償。
在一另外的實施例中，該類比掃描斜坡在操作期間根據該影像感測器的該操作模式不時地被修改。
在一個示例性的實施例中，一變化的數位代碼與該類比斜坡被同時地提供。被儲存在該數位儲存電路(13)中的該數位代碼係當該比較器輸出切換時之該數位代碼的該值。在一第一實施例中，該代碼係一種二進制代碼。
在一衍生出的實施例中，該數位碼係一格雷碼。一格雷碼係有利的，因為(i)不需要與該數位儲存裝置同步，因為一次只有一個邊緣發生變化，並且在該邊緣的任一側該碼都是有效的，並且(ii)該格雷碼在一個週期內具有較少的邊緣並且該功耗被降低。
在一衍生的實施例中，該類比及數位代碼掃描被循序地分開成儲存及比較掃描，或多次比較掃描。在該類比信號位準與該數位代碼之間的該關係在該參考掃描與比較掃描之間被變化。這種方法係有利的，因為在該像素中需要一更簡單的數位比較邏輯。這可能會減少所需的面積。
在一衍生的實施例中，針對不同的像素子集在該類比掃描位準與該數位代碼之間一不同關係被產生。
這種方法是有利的，因為一數位代碼可以以一數位電路在(i)計算或在(ii)定時中被變化。這提供了在產生多個類比斜坡方面中一面積的節省及改善的靈活性，並且能夠補償或改變像素該排列之子集合的功能。
在一個示例性的實施例中，在該類比掃描期間連續地執行在該儲存位準與該當前位準之間的該數位比較。該比較結果與該類比比較器輸出及該數位比較之該切換的該定時有關。在該實施例中，滯後的該實現方式，或差異化事件產生臨界值，係基於該相對定時來被執行的。
在一個示例性的實施例中，基於一時鐘在定時中的該變化被產生。在一另外的示例性實施例中，該變化係以在該像素電路內的一定時器電路被產生的。
在另一個示例性的實施例中，係在該類比電壓掃描之後執行在該儲存的位準與該當前位準之間的該數位比較。該實施例係有利的，其中該邏輯可重複地使用序向的元件，例如按位元的元件，其提供一矽面積的節省。
在一個示例性的實施例中，該序向邏輯係以靜態邏輯來被執行的。
在一另外的示例性實施例中，該序向邏輯係以動態邏輯來被執行的。
在一衍生的實施例中，利用來自該前一結果的反饋來執行該數位比較。這通常被使用來在該比較中實現滯後，並且有利於抑制雜訊及減少虛假事件。
在一衍生的實施例中，執行該數位比較及事件產生需要一不同的差異(＞1)以便產生一事件。這可能有利於(i)減少該事件數量，或(ii)提高該事件產生的該解析度。
該所需的差異可能取決於(i)該信號位準(ii)該操作模式，例如感興趣的區域(iii)該等相鄰像素位準(iv)該等像素前一位準(v)該等像素前一事件(vi)相鄰像素的該等事件。
在一衍生的實施例中，低於一特定率的一事件產生率被抑制在該像素電路內。這是有利的，因為該資訊對於後續的影像處理不太有用，並且該事件抑制降低了該功率及處理的需求。
在一個示例性的實施例中，用於事件產生的該數位條件係取決於相鄰像素電路的該事件產生。例如，該操作能夠過濾事件以減少該虛假事件數量。
在一個示例性的實施例中，用於事件產生的該數位條件係取決於相鄰像素電路之該儲存的位準。例如，該操作能夠過濾該等事件以在一邊緣附近提供更高的靈敏度。
在一個示例性實施例中，用於事件產生的該數位條件係取決於該像素電路之多個儲存的位準。例如，該操作能夠過濾類比雜訊以減少虛假事件的數量。
在一個示例性的實施例中，該採樣率被選擇以與一干擾光源的該閃爍頻率同步。這係有利的，因為它允許抑制肇因於該光源所引起的事件。
在一個示例性實施例中，該事件輸出係一單一事件位元，例如上升事件、沒有事件。換句話說，該上升事件對應於一增加的光強度。
在一另外的實施例中，該事件輸出為兩位元，例如上升及下降。換言之，該事件輸出可以指出該光強度或該感測器信號VSIG係大於還是小於該儲存的光強度位準或儲存的VSIG。
在一另外的示例性實施例中，該事件輸出包括該變化大小的該數位表示。該實施例係有利的，因為它能夠從該事件資訊完美地重建該影像。
在另一個示例性的實施例中，該事件輸出包括在該改變之前及/或之後的該照明強度表示。在一個實施例中，還有可能可讀出在該像素陣列中該等儲存之值的位該準。
在一衍生的實施例中，來自一目標區域的該等數位儲存的值被選擇性地讀取，即經由隨機存取。
在另一個示例性的實施例中，該數位位準在該現有的共用事件輸出線上被讀取出。在一個實施例中，可以把該儲存的數位位準寫入到像素之該排列中以提供一新的或故意修改的參考以用於比較。在一衍生的實施例中，一資料流被寫入到該等儲存的數位位準中以故意地提供用於事件產生之一時間相依的參考。
在一相關衍生的實施例中，該資料流係類似於通常由該感測器所產生的一事件流。
在一個實施例中，該感測器電路(11)具有來自該儲存的數位位準、或該等相鄰像素之該儲存數位位準的一反饋，以調整該像素的該VSIG位準。該實施例可能有利於用最小的表面面積來實現，例如一滯後函數。
在一個示例性的實施例中，比較器電路具有來自該儲存的數位位準或該等相鄰像素之儲存數位位準的一反饋，用以調整該比較器的該功能，通常為添加一偏移。該實施例可能有利於用最小的表面面積來實現，例如一滯後函數。
在一個示例性的實施例中，該採樣率係被電氣組配的或在操作中不時地被電氣改變的。
該功耗及事件產生率可能取決於該採樣率。降低該採樣率可在安靜的條件下實現一極低的功率模式。此外，一低的採樣率與整合的感測器電路(11)行為相結合可啟用在一低光照條件下的操作。
在一個示例性的實施例中，該採樣被完全中斷一延長的時間段。
該功耗及事件產生率可能取決於該採樣率。中斷該採樣一段時間，例如1秒，可實現非常低功耗的操作，但係肇因於該數位儲存保留了該記錄影像的保該真度。
在一個示例性的實施例中，可從該像素排列中讀出該類比信號位準(VSIG)。本實施例可以使用該共用的事件行線來被實現。
在一個示例性的實施例中，該影像感測器由多個半導體層所構成，其中每一層的該半導體加工工序類型針對該層的該功能被最佳化。這種實現方式係有利的，因為針對半導體加工工序之功能進行最佳化允許(i)在性能方面的提升，(ii)矽面積的減少以及隨後(ii)a )裝置尺寸的減少及(ii)b )裝置成本的降低。該改變的實體結構提高了針對(i)填充因子(ii)量子效率的光學性能，並減少了在控制信號線與該光感測器電路之間的電氣干擾。
該等複數個像素通常被組織成具有「行」及「列」的一種二維網格。需要說明的是，在不影響本發明的情況下，「行」及「列」的定義可以互換。還應被注意的是，映射到一個二維網格之其他幾何組配也是有可能的，而不影響本發明的適用性。
最後，應被注意的是術語「包含有」並不排除有其他的元件或步驟，並且「一」或「一個」不排除有複數個。此外，可以組合與不同實施例相關聯所描述的元件。還應當被注意的是，在該等請求項中的附圖標記不應被解讀為限制該等請求項的範圍。
1:像素電路 11:感測器電路 12:A/D轉換器 13:數位儲存電路 14:數位比較電路 15:數位事件產生電路 16:事件輸出線
本發明參考該等附圖被進一步地描述。其中，圖1至4展示出本發明的示例性實施例。
圖1根據本發明示意性地圖示出一增量影像感測器的一第一示例性組配。
圖2根據本發明示意性地圖示出一增量影像感測器之另外的示例性組配，其中圖2a展示出該事件產生電路的該共享，圖2b展示出該事件產生電路及數位比較電路的該共享，圖2c展示出該事件產生電路、數位比較電路及該數位儲存電路的該共享，圖2d展示出該事件產生電路、數位比較電路、該數位儲存電路及A/D轉換電路的該共享。
圖3圖示了一示例性的實施例，其中使用在一像素電路中的一比較器來執行從類比(VSIG)到數位表示的該轉換並且把一類比掃描信號施加到該像素電路。
圖4a、及b係示意圖，其各自展示出一比較斜坡與一儲存斜坡以及各自的數位代碼。
在該等附圖中相同的參考號碼表示相同或相似的組件。因此冗餘的描述將被省略。
1:像素電路
11:感測器電路
12:A/D轉換器
13:數位儲存電路
14:數位比較電路
15:數位事件產生電路
16:事件輸出線

Claims (21)

  1. 一種增量影像感測器，其包含有數個像素的一排列及對應於至少一個像素並被形成為一積體電路之一部分的複數個擷取電路，每一個擷取電路包括有：至少一個感測器電路，該感測器電路包含有一光感測器，該光感測器被組配成產生一感測器信號，VSIG，其取決於照明該至少一個像素之該光感測器的一光信號；至少一個類比到數位轉換，A/D，電路，優選地至少一個單斜率A/D電路，其被組配成產生對應於一當前VSIG的一數位表示，其中該A/D電路被組配成使用複數個斜坡中之一個用於該類比到數位的轉換；至少一個數位儲存電路，其被組配成儲存對應於藉由使用一儲存斜坡產生之一前一VSIG之至少一個數位信號的一表示；至少一個數位比較電路，其被組配來把所儲存之該表示的位準與藉由使用一比較斜坡所產生之該當前的VSIG進行比較以檢測是否存在一改變位準；以及至少一個數位輸出電路，其被組配來在該改變位準的情況下產生一事件輸出。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中在一類比掃描信號與一數位代碼之間的一關係在一儲存斜坡與一比較斜坡之間被改變及/或其中該儲存斜坡及該比較斜坡有一固定的電壓差異。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中在一類比掃描信號與一數位代碼之間的一關係在一儲存斜坡與一比較斜坡之間被改變及/或其中該儲存斜坡及該比較斜坡具有取決於VSIG之電壓位準之一可變的電壓差異。
  4. 如請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該儲存斜坡及該比較斜坡的使用由該像素取決於該像素狀態而倒換。
  5. 如請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中一或多個儲存斜坡及一或多個比較斜坡由該等像素取決於它們的像素狀態而套用及使用，以提供多個差異函數。
  6. 如請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中一或多個儲存斜坡及一或多個比較斜坡被該等像素套用及使用以提供多個差異函數，該套用及使用與它們的狀態無關。
  7. 如請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該數位比較電路被組配成在該比較斜坡期間執行所儲存之該表示的位準與該當前VSIG的比較，優選地在該比較斜坡期間不用記憶數位比較值。
  8. 如請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該數位比較電路被組配成在該比較斜坡之後執行所儲存之該表示之位準與該當前VSIG的比較，優選地在該比較斜坡期間要記憶數位比較值。
  9. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中每一個擷取電路在至少兩個像素之間被共享，其中優選地該等像素彼此相鄰。
  10. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該感測器電路被組配成基於以下關係中之一個來產生VSIG：a)對光強度的一線性相依性，b)對光強度之一非線性的，優選地係對數式的相依性，以及c)對光強度之一非線性及一線性相依性的一組合，其中優選地該關係響應於一控制信號是可改變的。
  11. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該感測器電路被組配成在操作期間響應於一控制信號而改變VSIG對光強度的相依性，優選地係不時地改變，及/或其中該感測器電路被組配成在操作期間響應於一控制信號而改變VSIG對光 強度的相依性以個別地針對至少一個像素或一像素子集。
  12. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，a)其中該類比到數位轉換電路包含一比較器，其被組配來把該VSIG與以下掃描信號中之一個進行比較：aa)一掃描類比輸入信號，及ab)循序的掃描類比輸入信號，其中該等掃描類比信號的每一個提供一不同的差異函數，其中優選地該輸入信號被提供給複數個轉換電路，及/或b)其中該類比到數位轉換電路更被組配成向至少一個像素提供至少一個與該掃描類比信號並行的數位代碼，ba)其中優選地該數位代碼係一格雷編碼的數位信號。
  13. 如請求項12之影像感測器，a)其中該掃描信號係一線性斜坡，或b)其中該掃描信號係一非線性斜坡，或c)其中該掃描信號在操作期間被改變，及/或d)其中該掃描信號的一周期在操作期間被改變，及/或e)其中在操作期間該掃描信號的重複會被中斷一短時段或延長的時段，及/或f)其中該掃描信號的一重複率係從與照明該光感測器之該光信號之一光源調變相對應的一或多個重複率中選出，優選地以增加或抑制一事件輸出。
  14. 如請求項12之影像感測器，其中該影像感測器更包含被組配來設置數個掃描斜坡限制的至少一個參考像素，其中優選地該至少一個參考像素被定位在數個像素的排列之外，及/或其中優選地該至少一個參考像素在數個參考條件之下被偏置。
  15. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，a)其中該數位比較電路被組配成使用在該像素電路中的靜態邏輯組件來執行比較，或b)其中該數位比較電路被組配成使用該像素電路中的動態邏輯組件來執行比較，及/或c)其中該數位比較電路被組配成執行具有一滯後的比較，及/或d)其中該數位比較電路被組配成執行需要在操作中不時地改變之一差異的比較。
  16. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該輸出電路被組配成取決於在數個相鄰像素中之該比較電路的比較結果來產生一輸出，或其中該輸出電路被組配成在一固定組配中或在操作期間會被改變的一組配中取決於數個相鄰像素的一函數來產生一輸出，其中優選地該函數係一平均函數，及/或其中該輸出電路被組配成如果該比較之該比較的一變化率超過一特定的臨界值則產生一輸出。
  17. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，a)其中該輸出電路被組配成取決於在數個相鄰像素中的一輸出來產生一輸出，或b)其中該輸出電路被組配成取決於在數個相鄰像素中經儲存的位準來產生一輸出，或c)其中該輸出電路被組配成取決於複數個儲存的值來產生一輸出。
  18. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器， a)其中該輸出電路被組配成產生指出該改變位準之方向的一事件輸出，及/或b)其中該輸出電路被組配成產生僅指出在一個方向上之一改變位準的一事件輸出，及/或c)其中該輸出電路被組配成產生指出該改變位準之量值的一事件輸出，及/或d)其中該輸出電路被組配成產生指出在該改變位準之前及/或之後之照明強度的一事件輸出。
  19. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，a)其中該數位儲存電路被組配成在數個像素之該排列的數個輸出線上提供所儲存的該數位表示，及/或b)其中該數位儲存電路被組配成在數個像素之該排列的該等輸出線上選擇性地為具有一事件輸出的數個像素提供所儲存的該數位表示，及/或c)其中該數位儲存電路被組配成使用數個事件行線在該等輸出線上提供所儲存的該數位表示，及/或d)其中該數位儲存電路被組配成把所儲存的該數位表示寫入到該等像素，及/或e)其中該數位儲存電路被組配成從一資料流寫入所儲存的該數位表示，及/或f)其中該數位儲存電路被組配成從作為一事件流的一資料流寫入所儲存的該數位表示。
  20. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該感測器電路從該數位儲存電路接收對應於該儲存數位位準、或數個相鄰像素之該儲存數位位準的一反饋，並且該感測器電路被組配成取決於該反饋來產生VSIG，及 /或其中該A/D電路接收來自該儲存數位位準、或數個相鄰像素之該儲存數位位準的反饋，並被組配成取決於該反饋來調整輸出信號。
  21. 如前述請求項1至3中之任一項之影像感測器，其中該感測器電路被組配成提供VSIG的一類比表示，及/或其中該影像感測器係由多個半導體層所構成，其中每一階層針對該層的該功能被最佳化。
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