用于檢測(cè)光傳感器矩陣中的光強(qiáng)時(shí)變的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說(shuō)明】用于檢測(cè)光傳感器矩陣中的光強(qiáng)時(shí)變的方法和設(shè)備
[0001]發(fā)明目的
本發(fā)明描述了一種用于檢測(cè)光傳感器矩陣中的光強(qiáng)時(shí)變的方法和設(shè)備，其通過(guò)一種方法和設(shè)備解決了與現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明相關(guān)的問(wèn)題，所述方法和設(shè)備用一系列跨阻和跨導(dǎo)放大器級(jí)以及采用電流鏡替代在開關(guān)電容器級(jí)前面的級(jí)，所述電流鏡中的第一個(gè)電流鏡具有可變?cè)鲆妫湓鲆婊谟蓪?duì)于全部像素而言共用的自動(dòng)增益控制計(jì)算的平均環(huán)境光來(lái)加以調(diào)節(jié)。這允許減小像素面積和消耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了約1%的對(duì)比靈敏度。
[0002]本發(fā)明落入人工視覺(jué)傳感器的領(lǐng)域，特別是落入所謂時(shí)差傳感器或“動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器”(DVS)的概念中。
【背景技術(shù)】
[0003]DVS傳感器是照相機(jī)，其中每個(gè)像素自所述像素生成前面的事件起在每次撞擊(strike)它的光以固定比率改變時(shí)生成事件。如果光增加，則所述事件將是正的，并且如果光減弱(fade)，則它將是負(fù)的。這樣一來(lái)，所述傳感器隨著時(shí)間生成事件流，其中每個(gè)事件由三個(gè)分量(X，y, s)限定，其中(X，y)是所述矩陣中的像素坐標(biāo)，以及‘S，是事件符號(hào)(sign)。這個(gè)事件流代表被傳感器捕獲的變化中的視覺(jué)場(chǎng)景。這個(gè)傳感器概念最初是由 Kramer 提出((J.Kramer, "An Integrated Optical Transient Sensor,IEEE Transact1ns on Circuits and Systems, Part-11: Analog and Digital SignalProcessing, vol.49，N0.9，pp.612-628，Sep.2002 (J.Kramer，“集成光學(xué)瞬態(tài)傳感器”，電路與系統(tǒng)IEEE學(xué)報(bào)，第II部分:模擬與數(shù)字信號(hào)處理，49卷，N0.9，612-628頁(yè)，2002 年 9 月))以及(J.Kramer, 〃An on/off transient imager with event-driven,asynchronous read-out,〃 IEEE Int.Symp.0n Circuits and Systems, ISCAS 2002，vol.1I，pp.165-168，2002) (J.Kramer的“事件驅(qū)動(dòng)的、異步讀取的開/關(guān)瞬態(tài)成像儀”，關(guān)于電路與系統(tǒng)的IEEE國(guó)際研討會(huì)，ISCAS 2002，卷II，165-168頁(yè)，2002))，但是其實(shí)施例引起像素性能(performance)方面的嚴(yán)重的失配(mismatch)，這限制了可以達(dá)到約 30% 的值的最大時(shí)間對(duì)比靈敏度(sensitivity) (P.Lichtsteinerj et al "ImprovedON/OFF Temporally Differentiating Address-Event Imager, 〃 Proceedings of the2004 IIth IEEE Internat1nal Conference on Electronics, Circuits and Systems,2004.1CECS 2004，pp.211-214 (P.Lichtsteiner 等人的“改進(jìn)的開 / 關(guān)時(shí)分地址-事件成像儀(image1”2004年第二屆電子、電路和系統(tǒng)IEEE國(guó)際會(huì)議學(xué)報(bào)，ICECS 2004，211-214頁(yè)))。為了改進(jìn)這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)，Lichtsteiner隨后通過(guò)提出一種具有兩個(gè)電容器的自定時(shí)開關(guān)電容器級(jí)(stage) (US 5168461)建議了一種改進(jìn)的傳感器，所述自定時(shí)開關(guān)電容器級(jí)提供了從像素到像素的性能方面的降低的失配，因此使得有可能實(shí)現(xiàn)達(dá)到15%的范圍內(nèi)的時(shí)間對(duì)比的敏感性(sensibility) ((P.Lichtsteinerj et al, 〃A 128x128120 dB 15 μ s Latency Asynchronous Temporal Contrast Vis1n Sensor, IEEE J.Solid-State Circ.，vol.43，N0.2，pp.566-576，F(xiàn)eb.2008(P.Lichtsteiner 等人的“128x128 120 dB 15 μ s延遲的異步時(shí)間對(duì)比視覺(jué)傳感器”，TiM學(xué)礙■德/#，卷43，N0.2，566-576 頁(yè)，2008 年 2 月))和(US7728269 B2))。
[0004]然而，所述開關(guān)電容器級(jí)要求兩個(gè)電容器具有很不同(disparate)的值，這在一個(gè)集成電路的實(shí)施例中導(dǎo)致要求每個(gè)像素面積(area)內(nèi)相當(dāng)大的面積。在由Lichtsteiner制造的傳感器((P.Lichtsteiner等人的“ 128x128 120 dB 15 μ s延遲的異步時(shí)間對(duì)比視覺(jué)傳感器”，IEEE學(xué)報(bào)固態(tài)電路，卷43，N0.2，566-576頁(yè)，2008年2月)和(US7728269Β2?中，這些電容器大概占像素總面積的三分之二。因此，因?yàn)橄袼卮?，所以芯片占?jù)大的面積且昂貴。為了改進(jìn)這個(gè)新的現(xiàn)有技術(shù)，Lenero (J.A.Lenero-Bardallo, et al,〃A 3.6us Asynchronous Frame-Free Event-Driven Dynamic-Vis1n-Sensor, 〃IEEEJ.0f Solid-State Circuits, vol.46, N0.6, pp.1443-1455，June 2011 (J.A.Lenero-Bardallo等人的“3.6us異步無(wú)框事件驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器”，IEEE學(xué)報(bào)固態(tài)電/#，卷46，Νο.6，1443-1455頁(yè)，2011年6月”))建議減少電容器值之間的不同(disparity)，同時(shí)在開關(guān)電容器的級(jí)之前引入很小面積的電壓放大器級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)了既減小了像素面積又稍微將時(shí)間對(duì)比靈敏度提高到約10%的值。然而，這個(gè)放大器級(jí)具有高的消耗并稍微使像素性能的失配惡化(deter1rate)。
[0005]為了說(shuō)明本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的改進(jìn),Lichtsteiner的傳感器(US7728269B2)已被作為參考，其像素簡(jiǎn)化圖示于圖1中。光電二極管D感知(sense)的光被轉(zhuǎn)換成光電流IphO晶體管Tl至T4對(duì)數(shù)性地(logarithmically)將Iph轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)Pl中的電壓Vpi=Voffset +V01g (Iph)。流經(jīng)所述晶體管T4并從漏極節(jié)點(diǎn)PO離開的光電流Iph在電流加法器(current adder)框Σ I中相加,所述漏極節(jié)點(diǎn)PO為矩陣的全部像素共用，所述電流加法器框ΣI還相加來(lái)自矩陣中全部像素的光電流。這個(gè)總和隨后被用于自動(dòng)地調(diào)節(jié)像素中晶體管Τ3的柵極以最小化放大器Τ1-Τ3的消耗從而使其適應(yīng)環(huán)境光(US 2004/065876)。晶體管T5a和T5b復(fù)制Vpi到節(jié)點(diǎn)P2。在Lefie1的改進(jìn)中，這兩個(gè)晶體管被具有增益A v的電壓放大器級(jí)替代，從而P2處的電壓將是VP2 = Av (Voffset + V01g (Iph))，其中對(duì)于根據(jù)Lichtsteiner的實(shí)施例而言,Av =1,并且對(duì)于根據(jù)Lefiero的實(shí)施例而言,Av >1。包括電容器Cl和C2的開關(guān)電容器電路以及晶體管T6至T8從前面的復(fù)位時(shí)間h復(fù)制P3處的電壓變化至P2，乘以電容增益Ac= C2/C1。因此，VP3(t) = Ac(Vp2(t) -Vp2U1)) = AcAvV01g (Iph(t) /Iph U1))。晶體管T9至Tll檢測(cè)VP3 (t)是否超過(guò)特定的正閾值％+，并且如果是，它們生成正事件(開)。晶體管T12至T14檢測(cè)VP3 (t)是否落到低于負(fù)閾值VK_，并且如果是，它們生成負(fù)事件(關(guān))。每次像素生成事件，電容器Cl的復(fù)位借助于復(fù)位晶體管T7發(fā)生。這樣一來(lái)，如果VP3 (t2) > VE+ = AcAJ01g (Iph (t2) / IphU1)),貝IJ像素立即生成正事件t2，并且如果VP3(t2) <VE_ = AcAJ01g (Iph(t2) / IphU1)),則像素立即生成負(fù)事件。這還可以表達(dá)為ΔΙ / I = exp ((VE+/J / (AcAvV0)) -1 = Θ+/_。其中參數(shù)Θ+/_表示對(duì)于正或負(fù)對(duì)比的靈敏度?？梢葬槍?duì)這個(gè)對(duì)比靈敏度來(lái)調(diào)節(jié)的最小值通過(guò)參數(shù)VK+/_，Ac，Av和Vtl的從像素到像素的離差(dispers1n)來(lái)給出。參數(shù)Vtl通常是物理常數(shù)的函數(shù)并且在同一芯片中不經(jīng)歷(undergo)從像素到像素的離差。參數(shù)％+/_的離差由放大器T6和T8以及電壓比較器(晶體管T9至Tll和T12至T14)的性能方面的離差給出并通常是高的，這是因?yàn)榉糯笃鱐6和T8以及比較器做得小以減小總的像素面積。放大器和比較器的高失配的影響通過(guò)增大分母的乘積AcAv得以減小。在Lichtsteiner的現(xiàn)有技術(shù)中，A V = I,由此強(qiáng)制的是使Ac盡可能大。例如，在Lichtsteiner的實(shí)施例中(P.Lichtsteiner等人的“ 128x128 120 dB15 μ s延遲的異步時(shí)間對(duì)比視覺(jué)傳感器”，疋■德/#，卷43，N0.2，566-576頁(yè)，2008年2月)，給出了 20的值。參數(shù)Ac也經(jīng)歷從像素到像素的離差，但是它得以降低，因?yàn)樵诩呻娐分须娙葜g的關(guān)系經(jīng)受低的離差(典型地低于1%)。在Lefiero的實(shí)施例中，參數(shù)Av也引入離差。然而，參數(shù)Ac可以降低至5，而Av設(shè)在約25處。以此方式，乘積是125，這提高了整體的對(duì)比靈敏度，盡管稍微增加了離差。然而，附加放大器級(jí)極大地增加了像素消耗(高于1