本發(fā)明涉及像素結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種自適應(yīng)光強的高速寬動態(tài)脈沖像素結(jié)構(gòu)及圖像傳感器、電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、在互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary?metal?oxide?semiconductor,cmos)圖像傳感器領(lǐng)域，動態(tài)范圍(dynamic?range,dr)在監(jiān)控、安防、無人機等應(yīng)用中都是關(guān)鍵參數(shù)，直接影響圖像傳感器對場景感知的質(zhì)量。通常在圖像傳感器設(shè)計過程中，需盡量使動態(tài)范圍最大化，以擴大其適用范圍。

2、經(jīng)典的有源像素圖像傳感器動態(tài)范圍有限，在固定曝光時間下，可以感知到的最低光強受到量化和讀出噪聲的限制；而可感知的最大光強通常受到滿阱容量的限制。通過增加曝光時間，可以感知更低的光強，但可測量的最高光強會降低。如果曝光時間減少，可以在較高照度下響應(yīng)，但在較低照度區(qū)域內(nèi)精度會損失。因此，傳感器的動態(tài)范圍受到像素本身設(shè)計的限制，無法通過全局調(diào)整積分時間來擴展。通常有源像素圖像傳感器的動態(tài)范圍通常在70db以下。對于人眼視覺來說，可感知場景的動態(tài)范圍在120db左右，相比之下經(jīng)典有源像素圖像傳感器的動態(tài)范圍無法滿足人們的日常需求。

3、傳統(tǒng)圖像傳感器對場景的量化受到曝光時間和電容節(jié)點大小的限制，導(dǎo)致動態(tài)范圍受限。對于電容節(jié)點大小的限制，通常在像素設(shè)計中采用電容溢流結(jié)構(gòu)(lateraloverflow?integration?capacitor，lofic)或雙增益電容節(jié)點(dual?conversion?gain,dcg)的像素結(jié)構(gòu)，通過擴大電容節(jié)點的電荷存儲能力擴展對高光強的響應(yīng)，但工作過程需要量化讀出多個信號，讀出時間較長，無法用于高速場景。另外對于曝光時間的限制，通常通過捕獲多次曝光的圖像，將不同幀的圖像數(shù)據(jù)融合，達到擴展動態(tài)范圍的目的，但這種方法在計算負(fù)載、硬件和功耗方面有較高的要求。

4、在脈沖調(diào)制型圖像傳感器中，量化不再以電荷、電壓或電流編碼的方式進行，取而代之的是以脈沖時序或脈沖邊緣來表示圖像數(shù)據(jù)，這種視覺信息編碼的方式通過避免了固定曝光時間對像素感光的限制，實現(xiàn)了對動態(tài)范圍和信噪比的改善。此外脈沖調(diào)制型圖像傳感器在像素內(nèi)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了高時間分辨率。脈沖調(diào)制成像的高速和高動態(tài)范圍特性使其在高性能機器視覺中具有廣泛的應(yīng)用前景。

5、然而脈沖調(diào)制(pulse?modulation，pm)型圖像傳感器由于其獨特的復(fù)位和編碼方式，導(dǎo)致像素單元內(nèi)晶體管數(shù)量較多，為了保證像素填充因子，像素感光節(jié)點電容通常在10～100ff，感光轉(zhuǎn)換增益較低，因此該結(jié)構(gòu)的低光強靈敏度較差，限制了其在暗光高速場景的應(yīng)用。

6、總之，現(xiàn)有技術(shù)通常通過擴大感光節(jié)點電荷存儲能力(dgc或lofic結(jié)構(gòu))或多幀采樣的方式提高動態(tài)范圍，但dcg等大動態(tài)范圍結(jié)構(gòu)需要較長的讀出時間，而采用多幀曝光圖像融合的方式則同樣拉長了響應(yīng)時間，兩種方式均無法用于高速場景的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)光強的高速寬動態(tài)脈沖像素結(jié)構(gòu)及圖像傳感器、電子設(shè)備，旨在解決cmos圖像傳感器由于動態(tài)范圍要求高，采用電容溢流或者采用雙增益等結(jié)構(gòu)，需要讀出多個信號，讀出時間較長；采用多幀曝光圖像融合的方式則同樣拉長了響應(yīng)時間，兩種方式均無法用于高速場景的問題。所提出的像素結(jié)構(gòu)，夠根據(jù)光強自適應(yīng)選擇感光節(jié)點增益，提高了低光強靈敏度，擴展了動態(tài)范圍，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對高速場景的響應(yīng)。

2、本發(fā)明的第一方面，提供一種自適應(yīng)光強的高速寬動態(tài)脈沖像素結(jié)構(gòu)，包括光電二極管，多個mos開關(guān)晶體管、電容跨阻放大器，ctia電容，比較器，多個反相器，脈沖信號鎖存器，3bit計數(shù)器；

3、其中，第一mos開關(guān)晶體管一端連接光電二極管非接地端而另一端接電容跨阻放大器負(fù)相輸入端，第二mos開關(guān)晶體管與第三mos開關(guān)晶體管、ctia電容的并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)的一端連接光電二極管非接地端，另一端連接電容跨阻放大器輸出端；電容跨阻放大器正輸入端連接復(fù)位電壓信號vrst，輸出端連接比較器負(fù)輸入端；

4、第四mos開關(guān)晶體管、第五mos開關(guān)晶體管、第六mos開關(guān)晶體管及第七mos開關(guān)晶體管的一端共同連接比較器正輸入端，另一端依次分別接預(yù)判斷工作閾值電壓vth0、復(fù)位電壓信號vrst、低光強條件下像素工作的第一工作閾值電壓vth1、高光強條件下像素工作的第二工作閾值電壓vth2；比較器輸出端與第八mos開關(guān)晶體管、第九mos開關(guān)晶體管并聯(lián)電路的一端及第十mos開關(guān)晶體管一端連接，第十mos開關(guān)晶體管另一端連接第一反相器輸入端，第八mos開關(guān)晶體管與第九mos開關(guān)晶體管并聯(lián)電路另一端連接第一反相器的輸出端及第二反相器輸入端，第二反相器輸出接脈沖信號鎖存器輸入端以及3bit計數(shù)器輸入端，3bit計數(shù)器輸出端接第三反相器輸入端且被輸入全局時鐘信號clk；脈沖信號鎖存器clk輸入端連接鎖存信號latch，脈沖信號鎖存器q輸出端接第四反相器輸入端，且輸出鎖存輸出信號latchout；第三反相器及第四反相器分別被輸入行選信號sel，輸出端連接到列總線。

5、其中，包括工作模式切換邏輯控制單元，用于控制輸出多個工作模式切換控制信號，以對應(yīng)的控制第一mos開關(guān)晶體管、第二mos開關(guān)晶體管、第六mos開關(guān)晶體管以及第七mos開關(guān)晶體管、第九mos開關(guān)晶體管、第十mos開關(guān)晶體管，進行工作模式的切換。

6、其中，所述工作模式切換邏輯控制單元的s0信號輸入端連接預(yù)判斷邏輯單元輸出信號s0以及鎖存輸入信號latchin，根據(jù)所述預(yù)判斷邏輯單元輸出信號s0以及鎖存輸入信號latchin，控制輸出多個工作模式切換控制信號。

7、其中，包括復(fù)位邏輯控制單元，用于控制輸出復(fù)位控制信號，對應(yīng)的控制第三mos開關(guān)晶體管、第八mos晶體開關(guān)管以及第五mos開關(guān)晶體管的復(fù)位；復(fù)位邏輯控制單元的輸入端連接脈沖信號鎖存器的輸出端，同時連接復(fù)位信號rst。

8、其中，包括預(yù)判斷邏輯單元，用于根據(jù)光強自適應(yīng)切換感光節(jié)點增益，所述預(yù)判斷邏輯單元的輸入端連接預(yù)判斷信號sn1與脈沖信號鎖存器的輸出信號latchout，所述預(yù)判斷邏輯單元的輸出端連接工作模式切換邏輯控制單元的s0信號輸入端。

9、其中，在工作模式切換邏輯單元中，通過輸入的s0信號與latchin信號，一同控制第一mos開關(guān)晶體管、第二mos開關(guān)晶體管、第六mos開關(guān)晶體管、第七mos開關(guān)晶體管、第九mos開關(guān)晶體管、第十mos開關(guān)晶體管，以實現(xiàn)對ctia電容和第一反相器的工作狀態(tài)控制。

10、其中，量化高光強時，第二mos開關(guān)晶體管、第九mos開關(guān)晶體管閉合，電容跨阻放大器不工作，ctia電容不工作，第一反相器不工作，像素內(nèi)光電二極管與比較器負(fù)輸入端相連；曝光過程中，光電二極管節(jié)點電壓逐漸下降，并與比較器第二工作閾值電壓vth2實時比較，達到閾值電壓時觸發(fā)vpulse節(jié)點翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)信號由第二反相器連接到像素內(nèi)脈沖信號鎖存器；當(dāng)鎖存信號latch到來時，翻轉(zhuǎn)信號在脈沖信號鎖存器中鎖存，在行選信號sel到來時向列總線輸出1bit脈沖，并在復(fù)位信號rst到來時觸發(fā)復(fù)位；vpulse翻轉(zhuǎn)后，翻轉(zhuǎn)時刻由3bit計數(shù)器記錄，翻轉(zhuǎn)幀結(jié)束時將記錄的3bit數(shù)據(jù)輸出片外，與1bit脈沖數(shù)據(jù)結(jié)合共同量化光強。

11、其中，量化低光強時，第二mos開關(guān)晶體管、第九mos開關(guān)晶體管關(guān)斷，ctia電容工作，第一反相器工作，光電二極管與ctia電容負(fù)輸入端相連，曝光期間的光生電荷經(jīng)過ctia電容增益放大，并將放大后的結(jié)果在比較器中與第一工作閾值電壓vth1比較，達到閾值電壓時觸發(fā)vpulse節(jié)點翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)信號由第一反相器和第二反相器連接到像素內(nèi)脈沖信號鎖存器，當(dāng)鎖存信號latch到來時翻轉(zhuǎn)信號在脈沖信號鎖存器中鎖存，并在選擇信號sel到來時向列總線輸出1bit脈沖；此工作模式下，3bit計數(shù)器記錄vpulse翻轉(zhuǎn)時刻，在翻轉(zhuǎn)幀結(jié)束時將記錄的3bit數(shù)據(jù)輸出片外，與1bit脈沖數(shù)據(jù)相結(jié)合共同量化光強。

12、其中，所述預(yù)判斷邏輯單元，在像素輸出1bit高電平脈沖后進入預(yù)判斷處理過程，預(yù)判斷處理中，光電二極管端接入比較器負(fù)輸入端，在比較器中與設(shè)定的預(yù)判斷工作閾值電壓vth0比較，根據(jù)比較結(jié)果控制邏輯門選擇下一幀的像素工作模式，隨后進入復(fù)位階段。

13、本發(fā)明的第二方面，提供一種圖像傳感器，包括所述自適應(yīng)光強的高速寬動態(tài)脈沖像素結(jié)構(gòu)。

14、本發(fā)明的第三方面，提供一種電子設(shè)備，包括所述的圖像傳感器。

15、本發(fā)明的自適應(yīng)調(diào)整感光節(jié)點增益的脈沖像素結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)脈沖結(jié)構(gòu)像素的基礎(chǔ)上，在感光節(jié)點引入了ctia電容，同時引入預(yù)判斷模塊，使像素能夠在預(yù)判斷時序期間控制ctia電容的工作。高光強下，像素預(yù)判斷階段控制ctia電容不工作，光電二極管(pd)節(jié)點的積分信號直接進入后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和讀出；低光強下，像素預(yù)判斷階段控制ctia電容工作，光電二極管(pd)節(jié)點的積分信號經(jīng)過ctia電容增益放大，之后進入后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和讀出。通過預(yù)判斷的增益選擇實現(xiàn)了像素低光條件增益放大和像素對不同光強增益的自適應(yīng)選擇，提高了像素低光強下的動態(tài)范圍。

16、此外，像素結(jié)構(gòu)引入了3bit計數(shù)器，對比較器翻轉(zhuǎn)時刻進行記錄和讀出，提高了高光強的量化精度和量化能力，擴展了高光強動態(tài)范圍。

17、總之，本發(fā)明提出的像素結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)光強自適應(yīng)選擇感光節(jié)點增益，提高了低光強靈敏度，擴展了動態(tài)范圍，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對高速場景的響應(yīng)，解決了cmos圖像傳感器由于動態(tài)范圍要求高，采用電容溢流或者采用雙增益等結(jié)構(gòu)，需要讀出多個信號，讀出時間較長的問題。