CN116761086A - 动态有源像素及动态有源像素视觉传感器*** - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种动态有源像素及动态有源像素视觉传感器***，所述动态有源像素包括CIS像素、EVS像素和电流镜；所述EVS像素包括光电转换单元，用于检测光电转换单元所接收的入射光中的事件信息；所述CIS像素，用于检测所述入射光中的灰度信息；所述CIS像素和EVS像素模块通过电流镜相互连接；所述电流镜用于将所述光电转换单元的光电流进行复制并输出至CIS像素。本发明实施例提供的技术方案，通过电流镜的结构设计，将EVS像素和CIS像素实现互连，解决了现有DAVIS像素内EVS像素和CIS像素相互影响的问题，实现了两种像素可以并行且不受彼此影响地独立工作。
Description
技术领域
本发明实施例涉及图像传感器技术领域，尤其涉及一种动态有源像素及动态有源像素视觉传感器***。
背景技术
动态视觉传感器(Events-based Vision Sensor，以下简称“EVS”),是近年来发展起来的能够快速获取场景中动态视觉信息的一种传感器，与现有CMOS图像传感器相比，EVS具有更低的响应时间，更宽的动态范围以及像素级的冗余数据压缩能力。
CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，以下简称“CIS”)是目前最常见的图像捕获传感器，但CIS的响应时间过长，对于跟踪和抓取高速物体的特征信息比较吃力，而且数据量较大，动态范围不高。
动态有源像素视觉传感器(Dynamic and Active-pixel Vision Sensor，以下简称“DAVIS”)结合了EVS和CIS各自的优势，可以实现优势互补。然而，现有的DAVIS像素中，EVS像素和CIS像素在工作时会相互影响，从而造成DAVIS像素内EVS像素和CIS像素的融合无法取得预期的效果。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明实施例的目的在于提供一种动态有源像素及动态有源像素视觉传感器***，实现了DAVIS像素内EVS像素和CIS像素的有机融合，使得两种像素实现并行且不受彼此影响地独立工作。
为达到上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种动态有源像素，包括CIS像素、EVS像素和电流镜；其中，
所述EVS像素包括光电转换单元，用于检测光电转换单元所接收的入射光中的事件信息；
所述CIS像素，用于检测所述入射光中的灰度信息；
所述CIS像素和EVS像素模块通过电流镜相互连接；
所述电流镜用于将所述光电转换单元的光电流进行复制并输出至CIS像素。
进一步的，所述电流镜包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管的栅极与第二开关管的漏极连接后，连接所述光电转换单元，源极与第二开关管和第三开关管的栅极连接后，连接至第四开关管的漏极；
所述第三开关管的漏极连接所述CIS像素，源极与第二开关管的源极连接后，连接至第一电源；
所述第四开关管的源极连接第二电源。
进一步的，所述第三开关管通过栅源电压镜像第二开关管的电流。
进一步的，所述CIS像素包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；
所述第五开关管的源极连接所述电流镜，漏极与第七开关管的栅极连接后，连接至第六开关管的漏极；
所述第七开关管的漏极连接第二电源，源极与第八开关管的漏极连接。
进一步的，所述第五开关管的栅极接收第一控制信号，所述第六开关管的栅极接收第二控制信号，所述第八开关管的栅极接收第三控制信号，以控制所述CIS像素进行积分；
所述第八开关管的源极为灰度信息输出端。
根据本发明的另一个方面，提供了一种动态有源像素视觉传感器***，包括动态有源像素阵列、事件读出接口、行控制逻辑模块、列斜波ADC模块和斜波信号生成模块；
所述像素阵列中的每一个像素被配置为响应于在其输入的入射光中检测到事件和灰度而输出事件信息和灰度信息，所述像素阵列中的每一个像素包括如本发明第一个方面所述的动态有源像素。
进一步的，所述事件读出接口，接收所述动态有源像素中EVS像素的输出，输出指示所述事件信息的极性信号；
所述行控制逻辑模块，输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号至动态有源像素，以控制所述动态有源像素中的CIS像素进行积分读出；
所述列斜波ADC模块，接收所述动态有源像素中CIS像素输出的灰度信息，并将所述灰度信息量化为数字信号；
所述斜波信号生成模块，为列斜波ADC模块的灰度信息量化提供参考斜波。
进一步的，所述***还包括仲裁器模块；
所述动态有源像素中的EVS像素通过使能信号和数据信号与仲裁器模块进行通信。
综上所述，本发明实施例提供了一种动态有源像素及动态有源像素视觉传感器***，所述动态有源像素包括CIS像素、EVS像素和电流镜；其中，所述EVS像素包括光电转换单元，用于检测光电转换单元所接收的入射光中的事件信息；所述CIS像素，用于检测所述入射光中的灰度信息；所述CIS像素和EVS像素模块通过电流镜相互连接；所述电流镜用于将所述光电转换单元的光电流进行复制并输出至CIS像素。本发明实施例提供的技术方案，通过电流镜的结构设计，将EVS像素和CIS像素实现互连，解决了现有DAVIS像素内EVS像素和CIS像素相互影响的问题，实现了两种像素可以并行且不受彼此影响地独立工作；并且，通过该结构的设计，提高了CIS像素的电荷电压转换增益比，可以实现更高的灰度动态范围。
附图说明
图1是现有技术中常见的DAVIS像素的电路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的动态有源像素的电路结构示意图；
图3是传统电流镜和本发明实施例提供电流镜的输入输出电流曲线对比；
图4是本发明实施例提供的动态有源像素视觉传感器***的构成框图；
图5是本发明实施例提供的动态有源像素视觉传感器***中动态有源像素灰度值读取和量化时序图；
图6是本发明实施例EVS像素后级电路的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
需要说明的是，除非另外定义，本发明一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
现有技术中常见的DAVIS像素的电路结构示意图如图1所示，该DAVIS像素包括CIS像素101、光电转换模块100和EVS像素后级电路102，光电转换模块100和EVS像素后级电路102共同构成EVS像素。其中，CIS像素101用于通过积分曝光获取当前像素的灰度值；由光电转换模块100和EVS像素后级电路102共同构成的EVS像素，可以量化并输出当前像素产生的事件信息。光电转换模块100，用于将光信号转化为对数关系的电压信号，EVS像素后级电路102则用于将转化后的电压信号离散化、放大、量化、存储及读出。
而在上述DAVIS像素中，存在如下技术问题：
(1)灰度输出动态范围小，由于光电转换模块100在正常工作需要开关管MP0的漏端电压在安全的范围内，以保证光电二极管PD反偏电压保持稳定，所以图1中CIS像素101中的电容CFD就要设计的比较大，以使得通过在复位阶段存储足够的电荷，来保证曝光阶段开关管MP0的漏端电压都在安全范围内。对于CIS像素而言，电容CFD过大会导致传输增益(即电荷电压转换增益)变小，电容CFD如果设计不够，CIS像素的曝光时间也会受限。即CIS像素中VPD节点的信号范围受限于EVS像素，除非EVS像素和CIS像素不要并行工作。
(2)CIS像素的复位噪声无法消除，由于两个复位噪声之间没有相关性，所以采用现有的相关双采样方法(Correlated Double Sampling，以下简称“CDS”)很难消除复位噪声。
(3)当环境光较强时，CIS像素进行曝光操作，可能会引起EVS像素产生很多噪点。
通过以上分析可知，上述现有方案的EVS像素和CIS像素在工作时相互影响，会造成DAVIS像素内融合方案无法取得预期的效果。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。本发明的实施例，提供了一种动态有源像素(即DAVIS像素)，图2中示出了本发明该实施例提供的动态有源像素的电路结构示意图，如图2所示，该动态有源像素包括CIS像素202、EVS像素和电流镜201。其中，所述EVS像素包括光电转换单元200和EVS像素后级电路203，用于检测光电转换单元所接收的入射光中的事件信息；所述CIS像素202，用于检测所述入射光中的灰度信息；所述CIS像素202和EVS像素模块通过电流镜201相互连接；所述电流镜201用于将所述光电转换单元的光电流进行复制并输出至CIS像素202。
根据某些可选的实施例，电流镜201包括第一开关管MP1、第二开关管MP2、第三开关管MP3和第四开关管MP4。如图2中所述，第一开关管MP1、第二开关管MP2、第三开关管MP3和第四开关管MP4均为P型场效应管，实现本发明的可选实施例中，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管例如采用图2中示出的P型场效应管。所述第一开关管MP1的栅极与第二开关管MP2的漏极连接后，连接所述光电转换单元200，源极与第二开关管MP2和第三开关管MP3的栅极连接后，连接至第四开关管MP4的漏极；所述第三开关管MP3的漏极连接所述CIS像素202，源极与第二开关管MP2的源极连接后，连接至第一电源VDDCP；所述第四开关管MP4的源极连接第二电源VDDAP。本发明该实施例提供的电流镜201，专门针对DAVIS像素内的小电流镜像设计，由于DAVIS像素内的光电流范围在fA与nA的数量级范围内，常规传统结构的电流镜无法在该范围内正常工作。在该电流镜201中，第三开关管MP3通过栅源电压镜像第二开关管MP2的电流，第四开关管MP4是第一开关管MP1的电流源，第一开关管MP1钳位第一电压节点V1和第二电压节点V2的电压。第二开关管MP2和第三开关管MP3的第一电源VDDCP的电压要比第四开关管MP4的第二电源VDDAP的电压低200mV到400mV。通过上述设计就可以保证第二电压节点V2的电压非常接近甚至超过第一电源VDDCP的电压，这在小电流镜像中非常重要。图3中示出了现有技术中的电流镜和本发明实施例提供电流镜201的输入输出电流曲线对比，从图3中可以看出在100pA以下现有技术中的电流镜将无法正常镜像。
根据某些可选的实施例，所述CIS像素202包括第五开关管MN1、第六开关管MN2、第七开关管MN3和第八开关管MN4；所述第五开关管MN1的源极连接所述电流镜201，漏极与第七开关管MN3的栅极连接后，连接至第六开关管MN2的漏极；所述第七开关管MN3的漏极连接第二电源VDDAP，源极与第八开关管MN4的漏极连接。如图2中所述，第五开关管MN1、第六开关管MN2、第七开关管MN3和第八开关管MN4均为N型场效应管，实现本发明的可选实施例中，五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管例如采用图2中示出的N型场效应管。所述第五开关管MN1的栅极接收第一控制信号APS_TX，所述第六开关管MN2的栅极接收第二控制信号APS_RST，所述第八开关管MN4的栅极接收第三控制信号APS_REN，以控制所述CIS像素进行积分；所述第八开关管MN4的源极为灰度信息输出端VAPS。
根据某些可选的实施例，光电转换单元200包括第九开关管MP0、光电二极管PD和运算放大器A1。运算放大器A1的输入端连接光电二极管PD的阴极和第九开关管MP0的源极，运算放大器A1的输出端连接EVS像素后级电路203。
本发明的实施例，还提供了一种动态有源像素视觉传感器***，图4中示出了该动态有源像素视觉传感器***的构成框图，如图4所示，该动态有源像素视觉传感器***包括动态有源像素阵列(图4中示意性地示出了阵列中的一个像素400)、事件读出接口406、行控制逻辑模块401、列斜波ADC模块402和斜波信号生成模块403。所述像素阵列400中的每一个像素被配置为响应于在其输入的入射光中检测到事件和灰度而输出事件信息和灰度信息，所述像素阵列400中的每一个像素例如为本发明上述实施例中涉及的动态有源像素。
所述事件读出接口406，接收所述动态有源像素中EVS像素的输出，输出指示所述事件信息的极性信号；
所述行控制逻辑模块401，输出第一控制信号APS_TX、第二控制信号APS_RST和第三控制信号APS_REN至动态有源像素，以控制所述动态有源像素中的CIS像素进行积分读出；
所述列斜波ADC模块402，接收所述动态有源像素中CIS像素输出的灰度信息，并将所述灰度信息量化为数字信号；
所述斜波信号生成模块403，为列斜波ADC模块的灰度信息量化提供参考斜波。
根据某些可选的实施例，该动态有源像素视觉传感器***还包括仲裁器模块405；所述动态有源像素中的EVS像素通过使能信号ColEN<i>和数据信号REQX<i>与冲裁器405模块进行通信；列解码及读出电路404，用于将列斜波ADC模块402量化结果并转串读出；锁相环410，可以为***提供高质量时钟信号；移动产业处理器接口411，并转串高速接口；随机存取存储器412，用于缓存中间数据；状态机407，用于***控制时序产生；图像信号处理器409，用于视觉传感器的数字信号处理。
图5中示出了本发明实施例提供的动态有源像素视觉传感器***中动态有源像素灰度值读取和量化时序图。图6中示出了EVS像素后级电路203的电路结构示意图。以下通过图5中的时序图，并结合图2、图4以及图6说明本发明实施例该动态有源像素的工作原理。
EVS像素部分：光电二极管PD实时将场景中的光信号转化为对数电压信号VPR,VPR会经过EVS像素后级电路203中的滤波器601滤除噪声，通过开关电容电路602将信号离散和放大，并通比较器603与预置的事件阈值进行比较，产生事件极性信息，极性事件会通过事件存储及接口模块605将事件暂存和输出。整个EVS像素中，事件的产生和读出都是异步的，不受CIS像素积分操作的影响。
CIS像素部分:CIS像素的积分、输出以及量化是在同步信号的控制下进行的，控制时序如图5所示，在T0阶段，第一控制信号APS_TX和第二控制信号APS_RST同时为高电平，第五开关管MN1和第六开关管MN2同时导通，第三电压节点VPH和第四电压节点被复位信号VS_RST电压复位，复位信号VS_RST大约800mV左右，当第五开关管MN1栅极接收的第一控制信号APS_TX变低时刻，CIS像素开始曝光，注意第二控制信号APS_RST的高电平应该包住第一控制信号APS_TX的高电平。T1阶段主要是CIS像素曝光积分时间，在T2阶段CIS像素开始相关双采样，并量化积分信号。T2阶段第三控制信号APS_REN拉高，第二控制信号APS_RST变成高电平，灰度信息输出端VAPS开始输出复位信号VRST。T3阶段列斜波ADC模块402在ADC复位信号RST_ADC信号的控制下复位，列斜波ADC模块402开始第一次斜波量化，量化结果VCOMP输出是TR，TR中包含了VRST和COLADC的复位噪声特征及失配特征，后续通过CDS可以减掉。T4阶段时，第五开关管MN1在第一控制信号APS_TX的控制下打开，这段时间的积分电荷通过第五开关管MN1传输到第四电压节点VFD，灰度信息输出端VAPS输出积分后的信号VSIG,VRST–VSIG就是该CIS像素的灰度信息。T5阶段开始第二次斜波量化，量化结果VCOMP输出是TS。TS-TR就对应VRST-VSIG,该减法消除了复位噪声和失配，TS-TR可以通过时间数字转化器(TDC)转化为数字信号。
通过上述工作原理可以看出，本发明实施例中提供的动态有源像素视觉传感器***中，EVS像素和CIS像素可以并行且不受彼此影响地独立工作，并且由于像素的两次复位之间具有相关性，从而可以消除复位噪声。
综上所述，本发明实施例涉及一种动态有源像素及动态有源像素视觉传感器***，所述动态有源像素包括CIS像素、EVS像素和电流镜；其中，所述EVS像素包括光电转换单元，用于检测光电转换单元所接收的入射光中的事件信息；所述CIS像素，用于检测所述入射光中的灰度信息；所述CIS像素和EVS像素模块通过电流镜相互连接；所述电流镜用于将所述光电转换单元的光电流进行复制并输出至CIS像素。本发明实施例提供的技术方案，通过电流镜的结构设计，将EVS像素和CIS像素实现互连，解决了现有DAVIS像素内EVS像素和CIS像素相互影响的问题，实现了两种像素可以并行且不受彼此影响地独立工作；并且，通过该结构的设计，提高了CIS像素的电荷电压转换增益比，可以实现更高的灰度动态范围。
应当理解的是，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种动态有源像素，其特征在于，包括CIS像素、EVS像素和电流镜；其中，
所述EVS像素包括光电转换单元，用于检测光电转换单元所接收的入射光中的事件信息；
所述CIS像素，用于检测所述入射光中的灰度信息；
所述CIS像素和EVS像素模块通过电流镜相互连接；
所述电流镜用于将所述光电转换单元的光电流进行复制并输出至CIS像素。
2.根据权利要求1所述的动态有源像素，其特征在于，所述电流镜包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管的栅极与第二开关管的漏极连接后，连接所述光电转换单元，源极与第二开关管和第三开关管的栅极连接后，连接至第四开关管的漏极；
所述第三开关管的漏极连接所述CIS像素，源极与第二开关管的源极连接后，连接至第一电源；
所述第四开关管的源极连接第二电源。
3.根据权利要求2所述的动态有源像素，其特征在于，所述第三开关管通过栅源电压镜像第二开关管的电流。
4.根据权利要求3所述的动态有源像素，其特征在于，所述CIS像素包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；
所述第五开关管的源极连接所述电流镜，漏极与第七开关管的栅极连接后，连接至第六开关管的漏极；
所述第七开关管的漏极连接第二电源，源极与第八开关管的漏极连接。
5.根据权利要求4所述的动态有源像素，其特征在于，所述第五开关管的栅极接收第一控制信号，所述第六开关管的栅极接收第二控制信号，所述第八开关管的栅极接收第三控制信号，以控制所述CIS像素进行积分；
所述第八开关管的源极为灰度信息输出端。
6.一种动态有源像素视觉传感器***，其特征在于，包括动态有源像素阵列、事件读出接口、行控制逻辑模块、列斜波ADC模块和斜波信号生成模块；
所述像素阵列中的每一个像素被配置为响应于在其输入的入射光中检测到事件和灰度而输出事件信息和灰度信息，所述像素阵列中的每一个像素包括如权利要求1-5中任意一项所述的动态有源像素。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，
所述事件读出接口，接收所述动态有源像素中EVS像素的输出，输出指示所述事件信息的极性信号；
所述行控制逻辑模块，输出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号至动态有源像素，以控制所述动态有源像素中的CIS像素进行积分读出；
所述列斜波ADC模块，接收所述动态有源像素中CIS像素输出的灰度信息，并将所述灰度信息量化为数字信号；
所述斜波信号生成模块，为列斜波ADC模块的灰度信息量化提供参考斜波。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述***还包括仲裁器模块；
所述动态有源像素中的EVS像素通过使能信号和数据信号与仲裁器模块进行通信。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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