【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及脉冲图像传感器，特别是涉及一种基于自适应灵敏度的脉冲频率调制(pulse frequency modulation,pfm)像素。
技术介绍
1、脉冲图像传感器在像素内测量积分到固定光子数所需要的时间，基于脉冲间隔或脉冲数目编码光强信息。与传统模拟像素传感器相比，脉冲图像传感器具有大动态范围、高信噪比、高速成像等特性，因此愈发受到青睐。
2、传统脉冲图像传感器的工作机理与人眼感知外界光强的原理相同。曝光时，光生电荷一直积分使光电二极管(photodiode,pd)节点电压下降，当积分到参考电压时，比较器翻转，同时复位管打开，对pd进行复位，读出时刻来临时读取像素内存储的信息。采用脉冲表达外部光强信息，从根本上突破了现有图像传感器数据量庞大、传输速度慢等瓶颈。
3、输出数据为单比特的脉冲图像传感器灵敏度与动态范围相互制约，在积分空间较小时，像素灵敏度较高，但是动态范围较小；积分空间较大时，动态范围较大，但灵敏度较低，暗光下像素的响应速度慢。像素内增加计数器可有效改善灵敏度与动态范围相互制约的问题，但会导致输出数据量和像素面积显著增加。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为克服现有技术下输出数据为单比特的pfm像素灵敏度和动态范围相互制约的问题，而提供一种基于自适应灵敏度的脉冲频率调制(pfm)像素，基于自适应灵敏度技术，能够使像素根据光强的强弱判断是否切换阈值，实现一种输出数据为2bit，暗光下有较高灵敏度的大动态范围pfm像素。
3、其中，所述积分模块包括pd、运放a，pd连接在运放a的负极输入端、输入信号vrst通过s2信号控制的开关连接在运放a的正极输入端、输入信号vrefh通过ctrlb信号控制的开关和s2n信号控制的开关连接在运放a的正极输入端、输入信号vrefl通过ctrl信号控制的开关和s2n信号控制的开关连接在运放a的正极输入端，运放a的输出端通过s1信号控制的开关连接运放a的负极输入端；积分模块的工作过程为：像素处于复位阶段时，运放a闭环工作，此时运放a相当于电压跟随器，pd电压为复位电压vrst；处于曝光阶段时，运放a开环工作，工作状态相当于比较器，pd电压下降，积分到阈值电压vrefh或vrefl时，比较器翻转为高电平。
4、其中，所述光强信息输出模块包括由晶体管m1、m2、m3组成的钟控反相器、像素内锁存器b、或非门、反相器和三态门l；其中，运放a的输出电压vcomp作为钟控反相器的数据输入端连接在晶体管m1和m2的栅极，输入信号latch作为钟控反相器的时钟控制信号连接在晶体管m3的栅极和锁存器的clk输入端，晶体管m1和m2的漏极连接在锁存器的数据输入端d，晶体管m2的源极和晶体管m3的漏极相连，锁存器的输出信号spike和输入信号read的反向信号readb连接在或非门nor1的输入端，或非门nor1的输出为信号s1，信号s1经过两个串联的反相器inv1、inv2后输出信号s2，信号s2经过反相器inv3输出信号s2n，信号s2n连接在三态门的输入端，输入信号sel为三态门l的控制信号，三态门l的输出信号输出到像素外；光强信息输出模块工作过程为：像素处于复位阶段时，锁存器中存储的代表光强信息的数字码读出到像素外；处于曝光阶段时，输出的数字码为低电平。
5、其中，所述光强判断模块包括反相器、传输管、采样电容、或门和与门；s2n信号连接反相器inv4输入端，反相器inv4输出端分别连接传输管mtx1、mtx2的源端，传输管mtx1的漏端连接在采样电容c1和或门or1的输入端，传输管mtx2的漏端连接在采样电容c2和或门or1的输入端，输入信号switch连接在传输管mtx1栅端，输入信号switch1连接在传输管mtx2栅端，或门or1的输出端和vcomp共同连接在与门and1的输入端，与门and1输出信号judge；
6、光强判断模块工作过程为：像素处于复位阶段时，光强信息输出模块输出的数字码存储到采样电容c1或c2上；曝光阶段时，若或门or1的输出为高电平，代表前两帧有光强信息读出，若为低电平，代表前两帧没有光强信息读出；若judge信号为高电平，代表像素所检测光强对应的脉冲间隔小于等于2，若为低电平，代表检测光强对应的脉冲间隔大于2。
7、其中，所述阈值切换控制模块包括反相器、或非门、传输管、采样电容、开关、rs锁存器；信号judge连接反相器inv5的输入端和传输管mtx3的漏端，inv5的输出端连接在或非门nor2的输入端和传输管mtx4的漏端，信号s2连接在反相器inv6的输入端，反相器inv6的输出端经过由输入信号pre_rst控制的开关连接在或非门nor2的输入端、采样电容c3和rs锁存器的输入端rn，或非门nor2的输出端接在传输管mtx3的栅端和反相器inv7的输入端，反相器inv7的输出端接在传输管mtx4栅端，传输管mtx3、mtx4的源端连接在rs锁存器的输入端sn，rs锁存器的输出端为ctrl信号和ctrlb信号，ctrl信号通过输入信号sel控制的传输门mtx5输出到像素外；阈值切换控制模块工作过程为：在像素的复位阶段，rs锁存器强制复位，ctrl信号输出低电平，积分模块中的阈值电压切换为vrefh；在像素的曝光阶段，若judge信号为高电平，rs锁存器置位，积分模块中的阈值电压切换为vrefl，像素继续曝光；若judge信号为低电平，rs锁存器处于保持状态，输出保持不变。
8、其中，所述脉冲频率调制像素的运行，包括以下步骤：
9、s1.开始曝光直至积分模块的输出翻转；
10、s2.积分模块的输出翻转后，光强判断模块判断光强对应的脉冲间隔是否小于等于2，若大于2，光强信息输出模块和阈值切换控制模块直接输出2bit脉冲信息；
11、s3.若脉冲间隔小于等于2，判断阈值是否发生变化，若已变化阈值，则输出2bit的脉冲信息，若阈值未变化，阈值切换控制模块控制积分模块切换阈值，执行步骤s1。
12、该像素结构基于脉冲间隔进行图像场景的重建，表达式为：
13、
14、
15、其中，g为还原的灰度值，表征了光强的大小，gmax为最大的灰度值，n对应高阈值时像素拟输出的脉冲间隔，nhl对应检测到高光强切换阈值后输出的脉冲间隔，a对应积分空间的比值并向上取整，表达式如公式(2)所示，vrst对应像素的复位电压，vrefh对应像素的高阈值电压，vrefl对应像素的低阈值电压。
16、本专利技术的像素为输出数据为2bit的自适应灵敏度的p本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，包括积分模块、光强信息输出模块、光强判断模块、阈值切换控制模块；积分模块的输出端分别连接光强信息输出模块、光强判断模块；光强信息输出模块的输出端连接积分模块、光强判断模块、阈值切换控制模块和像素输出端；光强判断模块的输出端连接阈值切换控制模块；阈值切换控制模块的输出端连接积分模块和像素输出端。
2.根据权利要求1所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，所述积分模块包括PD、运放A，PD连接在运放A的负极输入端、输入信号Vrst通过S2信号控制的开关连接在运放A的正极输入端、输入信号Vrefh通过ctrlb信号控制的开关和S2n信号控制的开关连接在运放A的正极输入端、输入信号Vrefl通过ctrl信号控制的开关和S2n信号控制的开关连接在运放A的正极输入端，运放A的输出端通过S1信号控制的开关连接运放A的负极输入端；积分模块的工作过程为：像素处于复位阶段时，运放A闭环工作，此时运放A相当于电压跟随器，PD电压为复位电压Vrst；处于曝光阶段时，运放A开环工作，此时运放A相当于比较器，PD电压下降，积分到阈值
3.根据权利要求2所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，所述光强信息输出模块包括由晶体管M1、M2、M3组成的钟控反相器、像素内锁存器B、或非门NOR1、反相器和三态门L；其中，运放A的输出电压Vcomp作为钟控反相器的数据输入端连接在晶体管M1和M2的栅极，输入信号latch作为钟控反相器的时钟控制信号连接在晶体管M3的栅极和锁存器B的clk输入端，晶体管M1和M2的漏极连接在锁存器B的数据输入端D，晶体管M2的源极和晶体管M3的漏极相连，锁存器B的输出信号spike和输入信号read的反向信号readb连接在或非门NOR1的输入端，或非门NOR1的输出为信号S1，信号S1经过两个串联的反相器INV1、INV2后输出信号S2，信号S2经过反相器INV3输出信号S2n，信号S2n连接在三态门的输入端，输入信号sel为三态门L的控制信号，三态门L的输出信号输出到像素外；光强信息输出模块工作过程为：像素处于复位阶段时，锁存器B中存储的代表光强信息的数字码读出到像素外；处于曝光阶段时，输出的数字码为低电平。
4.根据权利要求3所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，所述光强判断模块包括反相器、传输管、采样电容、或门和与门；S2n信号连接反相器INV4输入端，反相器INV4输出端分别连接传输管MTX1、MTX2的源端，传输管MTX1的漏端连接在采样电容C1和或门OR1的输入端，传输管MTX2的漏端连接在采样电容C2和或门OR1的输入端，输入信号switch连接在传输管MTX1栅端，输入信号switch1连接在传输管MTX2栅端，或门OR1的输出端和Vcomp共同连接在与门AND1的输入端，与门AND1输出信号judge；
5.根据权利要求4所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，所述阈值切换控制模块包括反相器、或非门、传输管、采样电容、开关、RS锁存器；信号judge连接反相器INV5的输入端和传输管MTX3的漏端，INV5的输出端连接在或非门NOR2的输入端和传输管MTX4的漏端，信号S2连接在反相器INV6的输入端，反相器INV6的输出端经过由输入信号pre_rst控制的开关连接在或非门NOR2的输入端、采样电容C3和RS锁存器的输入端Rn，或非门NOR2的输出端接在传输管MTX3的栅端和反相器INV7的输入端，反相器INV7的输出端接在传输管MTX4栅端，传输管MTX3、MTX4的源端连接在RS锁存器的输入端Sn，RS锁存器的输出端为ctrl信号和ctrlb信号，ctrl信号通过输入信号sel控制的传输门MTX5输出到像素外；阈值切换控制模块工作过程为：在像素的复位阶段，RS锁存器强制复位，ctrl信号输出低电平，积分模块中的阈值电压切换为Vrefh；在像素的曝光阶段，若judge信号为高电平，RS锁存器置位，积分模块中的阈值电压切换为Vrefl，像素继续曝光；若judge信号为低电平，RS锁存器处于保持状态，输出保持不变。
6.根据权利要求1所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，所述脉冲频率调制像素的运行，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，像素结构基于脉冲间隔进行图像场景的重建，表达式为：
...【技术特征摘要】
1.基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，包括积分模块、光强信息输出模块、光强判断模块、阈值切换控制模块；积分模块的输出端分别连接光强信息输出模块、光强判断模块；光强信息输出模块的输出端连接积分模块、光强判断模块、阈值切换控制模块和像素输出端；光强判断模块的输出端连接阈值切换控制模块；阈值切换控制模块的输出端连接积分模块和像素输出端。
2.根据权利要求1所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，所述积分模块包括pd、运放a，pd连接在运放a的负极输入端、输入信号vrst通过s2信号控制的开关连接在运放a的正极输入端、输入信号vrefh通过ctrlb信号控制的开关和s2n信号控制的开关连接在运放a的正极输入端、输入信号vrefl通过ctrl信号控制的开关和s2n信号控制的开关连接在运放a的正极输入端，运放a的输出端通过s1信号控制的开关连接运放a的负极输入端；积分模块的工作过程为：像素处于复位阶段时，运放a闭环工作，此时运放a相当于电压跟随器，pd电压为复位电压vrst；处于曝光阶段时，运放a开环工作，此时运放a相当于比较器，pd电压下降，积分到阈值电压vrefh或vrefl时，比较器翻转为高电平。
3.根据权利要求2所述基于自适应灵敏度的脉冲频率调制像素，其特征在于，所述光强信息输出模块包括由晶体管m1、m2、m3组成的钟控反相器、像素内锁存器b、或非门nor1、反相器和三态门l；其中，运放a的输出电压vcomp作为钟控反相器的数据输入端连接在晶体管m1和m2的栅极，输入信号latch作为钟控反相器的时钟控制信号连接在晶体管m3的栅极和锁存器b的clk输入端，晶体管m1和m2的漏极连接在锁存器b的数据输入端d，晶体管m2的源极和晶体管m3的漏极相连，锁存器b的输出信号spike和输入信号read的反向信号readb连接在或非门nor1的输入端，或非门nor1的输出为信号s1，信号s1经过两个串联的反相器inv1、inv2后输出信号s2，信号s2经过反相器inv3输出信号s2n，信号s2n连接在三态门的输入端，输入信号sel为三态门l的控制信号，三态门l的输出信号输出到像素外；光强信息输出模块工作过程为：像素处于复位阶段时，锁存器b中存储的代表光强信...
【专利技术属性】
技术研发人员：聂凯明，杨钊，高志远，徐江涛，高静，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。