一种脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构技术

本发明专利技术提供一种脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构。该曝光方法，在曝光后通过两个比较器将光电二极管的节点电压分别与高低不同的两个参考电压进行比较得到两组像素信号，再将两组像素信号合成后输出。该脉冲宽度调制像素结构包括复位晶体管、光电二极管、第一比较器、第二比较器、控制开关、组合电路以及计数器。本发明专利技术保留了PWM脉冲宽度像素的超低功耗的优点，同时针对PWM像素中像素级数模转化的特点，实现了适用于PWM脉冲宽度调制像素的二次曝光模式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像传感器
，特别是涉及一种脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构。
技术介绍
物联网技术是通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。在物联网中，需要通过海量的传感器来采集温度、湿度、压力甚至是图像等自然界的物理信息。而其中图像传感器因为其所采集的信号直观，且可挖掘的信息量大，使其拥有广泛的应用并具有更重大的研究意义。但是现今物联网需要其中的传感器更加智能化便携化，电池供电的图像传感器应用范围越来越广泛。并且在特殊应用环境下，图像传感器的电池不易更换。因此在物联网中，与传统应用截然不同的是，低功耗成为了CMOS图像传感器的迫切要求和主要挑战。常见的一种超低功耗的CMOS图像传感器的实现方式是采用脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)像素。不同于传统的像素结构，PWM像素是将复位后的电压信号，利用比较器，与其参考电压进行比较，从而实现模拟信号向数字信号的转变。将与光强成反比的电压信号转化为与时间成正比的时间信号。此种像素的最大优点是可以实现超低功耗。例如，比较器采用反相器比较器结构。这种比较器结构中的MOS管是可以工作在亚阈值状态下，所以只需提供1V以下的工作电压，从而降低了功耗。并且PWM像素在像素内部就实现了数模转换，数字信号因为只有高低两个电平，所以在处理信号上，数字信号功耗较低。采用PWM像素，可以使CMOS图像传感器的功耗低于1mW，甚至使像素级功耗达到μW级。PWM像素的功耗较低，但是由于其在像素内部进行了数模转化，从而在光强较强和较弱时，分辨率较低。强光时，复位后的电压信号会快速下降。从而在极短的时间内达到阈值。再加上计数器位数的限制，使得强光的强度级别无法被区分。而在弱光部分，由于复位后的电压信号会缓慢下降，甚至如果光照低于一定强度，电压信号在计数器周期结束，还没有达到阈值，从而只能将计数器的周期时间当作脉冲宽度，从而较弱的光也无法被识别。这两点就导致了PWM像素的动态范围性能较差。而针对于传统的有源像素传感器(ActivePixelSensor，APS)，提高动态范围的方式有很多种，如二次曝光、条件重置等。其中二次曝光是应用最广泛的一种方式，通常对同一场景进行两次拍摄。第一次曝光时间较长，第二次曝光时间较短。长曝光时间采集的是图像中亮度较弱的区域，短曝光时间采集的是图像中亮度较强的区域。从而将两次拍摄的图像进行一定的算法合成，得到一个高动态范围的图像。但是传统的二次曝光方式只能应用于传统的APS像素，很难适用于PWM像素。PWM像素具有较低的功耗，但是动态范围性能较差，这导致该像素很难应用于手机等一些需要得到高清图像的设备，限制了其应用范围。因此，如何提高脉冲宽度调制像素的动态范围已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术，本专利技术的目的在于提供一种脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构，用于解决现有技术中脉冲宽度调制像素的动态范围性能较差的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种脉冲宽度调制像素曝光方法，所述脉冲宽度调制像素包括光电二极管，所述方法包括如下步骤：进行曝光操作时，先将光电二极管复位至复位电压，在光照下将所述光电二极管的节点电压分别与高低不同的两个参考电压进行比较得到两组像素信号，再将所述两组像素信号合成后输出。优选地，通过两个比较器分别将所述光电二极管的节点电压与高低不同的两个参考电压进行比较，在同一曝光周期，得到两组像素信号。优选地，通过异或门将所述两组像素信号合成为一个脉冲信号后输出。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种脉冲宽度调制像素结构，包括：复位晶体管、光电二极管、第一比较器、第二比较器、控制开关、组合电路以及计数器；其中，所述复位晶体管的一端连接电源，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极接入复位信号；所述光电二极管的正向输入端接地；所述第一比较器的输入端分别接入所述光电二极管的节点电压和第一参考电压，所述第一比较器的输出端经由所述控制开关接入所述组合电路；所述第二比较器的输入端分别接入所述光电二极管的节点电压和第二参考电压，所述第二比较器的输出端经由所述控制开关接入所述组合电路；所述组合电路的输出端连接所述计数器，将接入的第一比较器和第二比较器的输出信号合成为一个信号输出。优选地，所述第一参考电压高于所述第二参考电压。优选地，所述组合电路包括异或门；所述第一比较器的输出端经由所述控制开关接入所述异或门的第一输入端；所述第二比较器的输出端经由所述控制开关接入所述异或门的第二输入端；所述异或门的输出端接入所述计数器；所述计数器的输出端输出脉冲信号。优选地，所述控制开关根据控制信号实现接通和断开。如上所述，本专利技术的脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构，具有以下有益效果：本专利技术的脉冲宽度调制像素曝光方法及像素结构，在传统的像素结构的基础上，增加一个参考电压不同的比较器，并在输出添加组合电路，将两个参考电压不同的比较器输出用一个信号进行表示，保留了PWM脉冲宽度像素的超低功耗的优点，同时针对PWM像素中像素级数模转化的特点，实现了适用于PWM脉冲宽度调制像素的二次曝光模式。附图说明图1显示为本专利技术实施例提供的脉冲宽度调制像素结构示意图。图2显示为本专利技术实施例提供的脉冲宽度调制像素的工作时序示意图。图3显示为本专利技术实施例提供的脉冲宽度调制像素的动态范围的验证模型示意图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。在传统APS像素中，二次曝光方式是进行两次曝光，第一次曝光时间较长，第二次曝光时间较短。长曝光时间采集的是图像中亮度较弱的区域，短曝光时间采集的是图像中亮度较强的区域。从而将两次拍摄的图像进行合成，得到一个高动态范围的图像。而在PWM像素中，改变曝光时间，即计数器周期是不能达到增加动态范围的效果。考虑到PWM像素是将像素值转化成脉冲宽度的时间值，本专利技术提出通过改变比较器的参考电压来变向实现二次曝光提高动态范围。其中高的参考电压对应的是传统的二次曝光方式的长曝光时间，重点采集的是图像亮度较弱的区域。而低的参考电压对应的是短曝光时间，重点采集的是图像亮度较强的区域。从而可以实现对PWM脉冲宽度调制像素的二次曝光模式，并采用不同的参考电压，即可实现二次曝光的效果。如果采用单个比较器去实现二次曝光，需要实现参考电压可调的比较器，并且需要两个曝光周期，从而会影响像素的帧率。本专利技术提出的脉冲宽度调制像素，在传统的像素结构的基础上，增加了一个参考电压不同的比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲宽度调制像素曝光方法，所述脉冲宽度调制像素包括光电二极管，其特征在于，所述方法包括如下步骤：进行曝光操作时，先将光电二极管复位至复位电压，在光照下将所述光电二极管的节点电压分别与高低不同的两个参考电压进行比较得到两组像素信号，再将两组像素信号合成后输出。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲宽度调制像素曝光方法，所述脉冲宽度调制像素包括光电二极管，其特征在于，所述方法包括如下步骤：进行曝光操作时，先将光电二极管复位至复位电压，在光照下将所述光电二极管的节点电压分别与高低不同的两个参考电压进行比较得到两组像素信号，再将两组像素信号合成后输出。2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素曝光方法，其特征在于：通过两个比较器分别将所述光电二极管的节点电压与高低不同的两个参考电压进行比较，在同一曝光周期，得到两组像素信号。3.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制像素曝光方法，其特征在于：通过异或门将所述两组像素信号整合为一个脉冲信号后输出。4.一种脉冲宽度调制像素结构，其特征在于，包括：复位晶体管、光电二极管、第一比较器、第二比较器、控制开关、组合电路以及计数器；其中，所述复位晶体管的一端连接电源，另一端连接所述光电二极管的反向输入端，栅极接入复位信号；所述光电二极管的正向输入端接地；所述第一比...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪辉，霍书瑶，章琦，汪宁，田犁，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31