发明内容

本发明的目的是提出一种装置，该装置能够获得场景的时间和空间视觉对比，同时减少资源的使用，特别是芯片面积的使用。本发明的另一个目的是提供更精确的定位和定时控制，以支持在图像信号的后处理中去除增益和偏移失配。

根据本发明，通过提供一种具有权利要求1的特征的图像传感器，具有权利要求14的特征的传感器装置以及具有权利要求15的特征的方法来实现该目的。本发明的其他有利的实施例是从属权利要求的主题。

根据本发明的一方面，图像传感器包括多个光伏转换器和多个电子转换器。光伏转换器布置成阵列，且电子转换器布置成阵列。这些阵列中的每一个例如可以是任何形式的一维阵列或二维阵列，特别是正方形、六边形或三角形阵列。光伏转换器和电子转换器通过切换元件连接(link)，该切换元件配置为选择性地将光伏转换器与电子转换器连接。

在下文中，切换元件布置和配置为将特定的光伏转换器选择性地连接至特定的电子转换器的事实可以表示为特定的光伏转换器。通过切换元件连接或能够通过切换元件连接或可连接到某个电子转换器。因此，根据本发明，每个光伏转换器通过切换元件连接到电子转换器，从而形成一对，该一对根据入射到所述光伏转换器上的光的强度产生数字信息。在该图像传感器中，至少两个光伏转换器通过切换元件连接到所述电子转换器之一。此外，至少两个所述电子转换器通过切换元件连接到所述光伏转换器之一。通过切换元件,电子转换器连接到光伏转换器，或者光伏转换器连接到电子转换器，这意味着依赖于切换元件的开关状态，由光伏转换器产生的信号会到达或不会到达电子转换器。在前一种情况下，可以说光伏转换器通过切换元件连接到电子转换器。

应当注意，在此上下文中的连接是指存在导电连接。两个光伏转换器可以通过切换元件连接或可连接到一个电子转换器，这意味着，根据切换元件的配置，来自两个光伏转换器中一个或另一个的信号到达电子转换器。相似地，两个电子转换器可以通过切换元件连接或可连接到一个光伏转换器意味着，根据切换元件的配置，来自光伏转换器的信号将被定向到两个电子转换器中的一个或另一个。

如上所述，US 7,728,269 B2中描述的图像传感器能够对观看图像的时间对比度进行编码。通过适当地驱动切换元件，例如通过允许来自不同光伏转换器的信号相继到达一个电子转换器，可以将空间对比度转换成时间对比度，从而允许获得图像的空间对比度。换言之，依赖于切换元件的正确控制，图像传感器可以输出时间图像对比度或空间图像对比度。

如上所述，US 2016/0093273 A1中描述的图像传感器包括NxN个感光器的群集，它们共享群集特定的编码电路。因此，在感光器和编码器之间存在NxN到一的映射。编码器是特定于群集的，这意味着群集在与编码器的连接方面不重叠。在任何时候，光电二极管总数中只有一小部分在起作用，即被编码。相反，在根据本发明的图像传感器中，多个光电转换器通过切换元件连接到多个电子转换器。目的是允许每个电子转换器“观察”或接收来自不同光电转换器的信号，以便在过渡期间，它们可以对空间对比度进行编码。尽管多个光伏转换器中仅一个可以主动地连接到一个电子转换器，但是其他光伏转换器可以连接到另一个电子转换器。更重要的是，随着时间的推移，每个电子转换器的“视野”彼此重叠，从而可以连续编码整个场景的空间对比度而没有间隙。该连续性假设还用于识别和补偿转换器对的任何不均匀性，这是由于半导体制造工艺不可避免的物理限制所致，从而能够更好地重建成像场景。

光伏转换器是执行光子到电子转换的转换器。光伏转换器可以是光电二极管，特别是钉扎光电二极管(pinned photodiode)(PPD)。它可以配置为产生电流，即光电流，该电流依赖于，尤其是线性依赖于或成比例地依赖于入射到光伏转换器上的光的强度。相反，电子转换器之所以这样命名，是因为它仅执行不同电子信号之间的转换或电子到电子的转换。在下面的描述中，可以将电子转换器而不是光伏转换器称为像素。特别地，如果电子转换器包括信号转换器和编码器，则每个信号转换器/编码器对可以被视为图像传感器的像素。

光伏转换器还可以包括另一电子信号转换器，其可以是电流-电流，电流-电压，电压-电流或电压-电压转换器。信号转换器的输出可以线性、对数地或根据某些其他函数依赖于其输入信号的输出。因此，在这种情况下，光伏转换器的输出将线性、对数地或根据某些其他函数依赖于光强度输入信号。该函数尤其可以是压缩函数，例如对数函数，以便允许将更大范围的输入(例如，对应于六十个光强度)压缩到相对较小的电子信号范围(例如100mV)中。

替代地或累积地，电子信号转换器或附加的电子信号转换器可以是电子转换器的一部分。在该实施例中，电子信号转换器的输出线性地，对数地或根据某种其他函数依赖于光伏转换器的输出。因此，在有利的实施例中，所述一对的所述电子转换器包括电子信号转换器，所述电子信号转换器与所述一对的所述光伏转换器组合配置为生成依赖于所述光伏转换器上的光强度的模拟电子信号。作为示例，光伏转换器执行光子到电子的转换，从而产生电流。该电流在对数电流-电压转换器中转换为电压，该电流-电压转换器是电子转换器的一部分。然后，使用也是电子转换器一部分的编码器，将该对数依赖于入射光的模拟电压信号转换为数字信号。

虽然可以将两个光电转换器的一部分连续连接两个信号转换器到包含编码器的单个电子转换器(即模数转换器)，但是该实施例具有以下缺点：每个信号转换器都会引入噪声。信号转换器通常不相同，显示出增益和偏移失配。因此，如果不同的信号转换器连续地连接到一个编码器，则在数字编码器信号中编码的空间对比度将包含增益和偏移失配，无法再从数字信号中消除该增益和偏移失配。将信号转换器放置在电子转换器内部的优势在于，现在将来自两个光伏转换器的两个信号连续发送到包含信号转换器和编码器的单个电子转换器。现在，尽管编码的空间对比度仍然包含信号转换器的增益失配，但是由于任何两个相邻的信号转换器已转换了一个公共的相对空间差，因此可以稍后补偿增益失配。此外，不再存在偏移失配，因为两个光伏转换器之间的相对空间差异源于同一信号转换器。

根据有利实施例，电子转换器中的所述编码器配置为使用脉冲密度调制将所述模拟电子信号转换为所述数字信号。基于脉冲密度调制的模数编码器具有足够紧凑的优点，使得它可以以像素并行方式实现，使得每个像素都包含一个这样的模数编码器元件。

根据优选实施例，图像传感器由两个半导体芯片模(die)制成，这两个半导体芯片模分别制造并通过互连连接。特别是，信号转换器，其可以是光伏转换器的一部分，也可以是电子转换器的一部分，以及编码器，其是电子转换器的一部分，在制造过程中，可以在两个分离的半导体芯片模上布置，然后通过所述两个半导体芯片模之间的互连将它们电连接。

优选地，所述切换元件被布置和配置为将所述光伏转换器时间多路复用(time-multiplexing)到所述电子转换器的输入。这意味着，在第一时间间隔期间，一个光伏转换器的输出信号被发送到电子转换器的输入，并且在连续的第二时间间隔期间，另一个光伏转换器的输出信号被发送到电子转换器的输入。如果通过适当数量的切换元件(例如三个、四个或更多)将两个以上的光伏转换器连接到一个电子转换器，时间多路复用将通过驱动切换元件来工作，以使光伏转换器一个接一个地切换到电子转换器。经由切换元件的时间多路复用可以被周期性地执行。

优选地，有多个第一切换元件，其将相同数量的第一光伏转换器连接到相应的电子转换器，多个第二切换元件，其将相同数量的第二光伏转换器连接到电子转换器，等等。为了允许来自第一光伏转换器的输出信号到达相应的电子转换器，可以同时驱动所有第一切换元件，然后可以同时驱动所有第二切换元件等。

用于切换元件的驱动信号可以由连接到图像传感器的切换控制器产生。因此，在本发明的另一方面，提出了一种用于检测时间依赖图像数据的传感器装置，该传感器装置包括如本文所述的图像传感器和连接至所述图像传感器的所述切换元件并且配置为生成切换信号以控制所述切换元件的切换控制器。产生切换信号的切换控制器可以是微控制器，也可以是与图像传感器在同一芯片上实现的逻辑块。然而，切换控制器位于光伏转换器阵列的外部。

参照图像传感器提及的任何特征在与传感器装置的连接上都是同样有利的。换言之，如果提到图像传感器或其图像组件配置为以某种方式起作用或生成某种信号，则这也可能意味着已对切换控制器进行了适当编程，以允许或确保这种情况发生。例如，所述切换元件被布置和配置为将所述光伏转换器时间多路复用到所述电子转换器的输入的特征可以等同地应用于传感器装置。当切换控制器配置为生成适当的切换信号以驱动切换元件以执行该时间多路复用时。

根据有利实施例，所述电子转换器配置为依赖于通过所述切换元件连接到所述电子转换器的两个所述光伏转换器上的光强度之间的相对差异或差异来生成数字信息。换言之，数字信息依赖于第一强度和第二强度之间的相对差，其中第一强度是第一光伏转换器处的光强度，第二强度是第二光伏转换器处的光强度。这样，图像传感器能够获得感测图像的空间对比度信息。当电子转换器的输入从第一光伏转换器切换到第二光伏转换器时，编码器输出将是数字信号，该数字信号是对应于第二强度的信号转换器输出与对应于第一强度的信号转换器输出之间的差。如将在下面进一步解释的，如果信号转换器的输出对数依赖于入射光，那么，如果强度差相对于绝对强度较小，则该信号转换器的输出差与对比度或相对强度差成正比。

有利地，通过所述切换元件连接到所述电子转换器之一的至少两个光伏转换器在阵列中彼此相邻地布置。当通过所述切换元件将两个以上的光伏转换器连接到一个电子转换器时，这也可以适用。特别地，在二维正方形阵列中，正方形中的四个相邻的光伏转换器通过切换元件连接到一个电子转换器。因此，在六边形或三角形阵列中，通过切换元件连接到电子转换器的相邻光伏转换器自身可以布置成六边形或三角形。

有利地，与所述电子转换器相邻放置的相邻电子转换器配置为根据相同两个光伏转换器上的光强度之间的相对差异或差异来生成至少一个数字信息，其通过切换元件与所述电子转换器和所述相邻电子转换器连接。

可以通过不同的方案来实现经由切换元件在光伏转换器和电子转换器之间的时间多路复用的空间顺序。这里将讨论两种这样的方案，并且在下文中将更详细地讨论，一种方案称为同时双重编码方案，另一种方案称为空间布置方案。尽管必须将图像传感器配置为支持任何这样的方案，但是必须将切换控制器配置为生成适当的切换信号，以便相应地驱动图像传感器的切换元件。然而，应该注意，图像传感器可以单独制造和销售。

根据同时双编码方案，所述电子转换器和所述相邻电子转换器通过两对切换元件连接至所述两个光伏转换器，由此，所述一对切换元件中的每对配置为以相同方式进行开关。换言之，两个相邻的光电转换器之间的光的相对强度差，以及它们之间的相对空间差，由两个相邻的编码器同时编码。利用该方案，可以在对编码的数字信息进行后处理期间减小运动伪像的影响。进一步来说，可以布置和配置两对切换元件，以将所述光伏转换器和所述相邻光伏转换器选择性地连接至所述电子转换器和所述相邻电子转换器，这样，在发生切换事件之前，所述光伏转换器连接到所述电子转换器，并且所述相邻光伏转换器连接到所述相邻电子转换器，并且在所述切换事件之后，所述光伏转换器连接到所述相邻电子转换器，并且所述相邻光伏转换器连接到所述电子转换器。

根据空间布置方案，当第一光伏转换器经由第一有源切换元件连接至第一电子转换器并且第二光伏转换器经由第二有源切换元件连接至第二电子转换器时，所述光伏转换器阵列，所述电子转换器阵列和所述切换元件配置为使得第一光伏转换器和第二光伏转换器在任何时候都具有与第一电子转换器和第二电子转换器相同的相对距离。该方案允许进行空间相关的编码，这意味着在所有开关方式中，每个电子转换器或像素及其连接的光电转换器都具有相同的相对空间位置。该方案能够支持基于空间相关性的图像传感器输出的后处理。

有利地，光伏转换器的数量基本上等于电子转换器的数量。这意味着，虽然两个或多个光伏转换器通过切换元件连接到一个电子转换器，但是这两个或多个光伏转换器中的每个又连接到相同数量的电子转换器。换言之，一个电子转换器的视野可以与另一电子转换器，特别是相邻的电子转换器的视野重叠。优选地，在任何给定时间，每个光电转换器的输出信号被发送到一个相应的电子转换器。仅在数组的边缘可能不正确。

本文中，限定词“基本上”是指由于图像传感器的几何极限或其他原因，光伏转换器的数量和电子转换器的数量可以少量变化。特别地，差异可以低于2％、5％或10％。这种差异的原因可能是阵列边缘的光伏转换器可能不具有与阵列中的光伏转换器连接的相同数量的电子转换器。特别地，如果光伏转换器的数量为N²，则差异可以为2/N的量级。

或者，光伏转换器的数量可以是电子转换器的数量的倍数。例如，N²光伏转换器可以与单个电子转换器相关联。在这种情况下，为了能够实现本文所述的开关方案和增益失配补偿，相邻的电子转换器必须共享一对或多对共享的光伏转换器。这意味着共享的光伏转换器通过切换元件连接到两个相邻的电子转换器。可以说，两个相邻的电子转换器的视场被至少一对光伏转换器重叠。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于获得补偿了增益失配的图像数据的方法。该补偿方法具有以下步骤：在第一步中，从第一电子转换器获得第一数字信息。该第一数字信息尤其可以是来自通过切换元件连接到第一电子转换器的两个光伏转换器的编码图像数据。所述第一数字信息包括第一参考信息，所述第一参考信息依赖于所述两个光伏转换器上的光强度的相对差异或差异。此外，从第二电子转换器获得第二数字信息。类似于第一数字信息，第二数字信息尤其可以是来自通过切换元件连接到第二电子转换器的所述两个光伏转换器的编码图像数据。该第二数字信息包括第二参考信息，该第二参考信息还依赖于在所述两个光伏转换器上的光强度的差异。

在上述的同时双重编码方案中，可以同时获得第一数字信息和第二数字信息，而在空间布置方案中，与第一数字信息相比，在不同的时间获得第二数字信息。

虽然第一参考信息和第二参考信息都是通过在相同的两个光伏转换器(可能具有不同的符号)上对光强度的相对差进行编码而获得的，由于第一和第二电子转换器之间的增益失配，它们可能会有所不同。因此，人们可以从所述第一参考信息和所述第二参考信息获得调整因子，并使用它来补偿所述第一数字信息和第二数字信息中的这种增益失配。这可以通过将第一电子转换器作为参考并用调整因子来调整所述第二数字信息来完成，或者通过将第二电子转换器作为参考并用调整因子来调整所述第一数字信息来完成。

特别地，可以将调整因子作为第一参考信息和第二参考信息的商。下面结合图7描述这种补偿方法的示例情况。