[发明专利]动态、单个光电二极管像素电路及其操作方法

说明书

本发明涉及一种像素电路及其操作方法，其包括：‑前端电路(1)，其包括单个光电二极管(PD)并且具有输出(4)，所述前端电路(1)配置为用于在所述输出上传送从所述单个光电二极管(PD)的曝光获得的感光器信号；‑瞬态检测器电路(2)，其配置为用于检测在所述输出(4)上传送的所述感光器信号的变化；‑曝光测量电路(3)，其配置为用于在瞬态检测器电路(2)检测到感光器信号的变化时测量在所述输出(4)上传送的所述感光器信号。本发明还涉及一种包括多个像素电路的图像传感器。

技术领域

本发明涉及一种用于图像传感器的像素电路。更具体地，本发明涉及一种像素电路及其操作方法，其中，曝光测量电路配置为在瞬态检测器电路检测到感光器信号变化时，从单个感光器的曝光获得的所述感光器信号中测量曝光强度。

背景技术

传统的图像传感器以预定的帧速率来获取时间量化的视觉信息。每个帧承载来自全部像素的信息，无论自最后的帧被获取以来该信息是否改变。这种方法根据场景的动态内容显然会导致记录的图像数据或多或少程度的冗余。随着现代的图像传感器向着更高的空间分辨率和时间分辨率发展而该问题会恶化。从对于移动、靠电池供电的用户设备要求高速工业视觉系统来看，用于数据后处理所需的硬件会增加复杂性和成本，对于传输带宽和数据存储容量的要求激增并且功耗增大，从而导致在全部类型的视觉应用中的严格限制。

一种处理视觉数据中的时间冗余的方法是帧差分编码。这种视频压缩的最简单的形式包括：在最初的关键帧之后，仅逐帧地传输超过限定的强度改变阈值的像素值。已知的帧差分成像器依赖于图像数据的全帧的获取和处理，并且不能自洽地抑制时间冗余以及提供实时压缩的视频输出。此外，即使当处理和差异量化在像素级进行时，如在所有基于帧的成像设备中，场景动态的获取的时间分辨率仍受限于可实现的帧速率并且时间量化成该帧速率。

通过在第一位置处不记录冗余数据，并且在传感器输出级直接降低数据量，来最有效地避免数据冗余的不利影响。直接的好处是用于数据传输和后处理的带宽、存储器和计算力要求降低，因此降低了系统功率、复杂性和成本。另外，由于场景动态被量化为视场像素读出的帧速率，所以传统的CMOS或者CCD图像传感器操作基于帧的计时原理导致时间分辨率方面受限以及差的动态范围。

本发明要解决的问题是提供这种一种方法和装置，其在(可记录和可处理的光强度的)宽动态范围内，连续地获取具有高时间和强度分辨率的所观测动态场景的全部视觉信息，并且由此产生数据量的最小必要量。因而，产生的数据不是由包括全部像素的图像信息的连续帧组成，而是由变化(异步)流和各个像素的亮度(即，灰度级)信息组成，其中，仅在各个像素的视场中光强度的实际变化由像素本身检测出的情况下，产生的数据才被记录和传输。

本方法通过完全地抑制对于传统图像传感器典型的图片信息中的时间冗余，尽管利用了包括相同的、甚至更高的信息量的数据,也导致了产生数据的实质性减少。用于实施前述方法的图像传感器的图片元素以及所需的异步数据读取机制可以基于模拟电子电路实现。具有大量这种图像元素的图像传感器通常被实现和制造为集成化片上系统(例如，采用CMOS技术)。

实施这种传感器并因而避免上述的传统图像数据获取的缺点会有利于宽范围的人工视觉应用，包括工业高速视觉(例如，快速的目标识别、运动检测和分析、目标跟踪等)、汽车(例如，用于碰撞报警和避免的实时3D立体视觉、智能后视镜等)、监视和安全性(场景监视)或者机器人(自主导航，SLAM)以及生物医学和科学化成像应用。由于传感器操作受到人类视网膜的工作原理的启发，所以一个有利的示例性应用是基于由这种传感器传送的数据，利用可植入假体设备来处理盲人的退化视网膜。

一种用于实现前述的完全时间冗余抑制的方案基于单个像素预处理和图像信息的获取、受控事件(即，独立于外部定时控制，例如时钟、快门或者重置信号)以及有条件的事件(即，仅在检测出场景变化时)。如以下所解释的，图像数据获取的控制被传送至像素级，并且可以采用很高的时间分辨率完成(例如，完全异步)。