时序（PM）像素技术简述

在基于时序或者脉冲调制（PM）的成像方式中,我们采用脉冲或者脉冲边沿时序对入射光强度进行编码,而不是用电荷、电压或电流。

下面我们来认识一下基于时序成像的两种基本方法。第一种技术被称为脉宽调制（PWM）,也称为Time-to-threshold或Time-to-First-Spike（TTFS）。不是采用光生电流在固定时间段（曝光时间）内积分的技术,而是采用像素信号达到一定值时停止积分的技术。在基本的PWM实施过程中,像素电压重置为一个固定的直流电压,然后由光生电流对光敏二极管电容进行放电。像素电压通过比较器与一个基准电压做比较。当达到阈值时比较器输出开关量。复位与比较器开关之间的时间段携带了平均像素光照在此期间的信息。在参考文献[158,401,394,75,523,254]中给出了带PWM功能的初级视觉传感器像素电路。

第二种实现脉冲调制成像的基本方法被称为脉频调制（PFM）,基于数字脉冲瞬时频率或脉冲间隔来对像素亮度信息进行编码。脉冲由每个像素中的光控振荡器产生。然后,预充电的光敏二极管电容再次被光电流放电。当达到阈值时,产生一个脉冲,比较器重置光敏二极管后整个循环又开始了。脉冲之间的时间,即各个脉冲的频率是与瞬时像素光照成比例的。最早的PFW电路出现在Frohmader等人^[192]于1982年发表的论文中。最早的基于PFW的图像传感器是在1993年提出的^[524],并且在1994年得以验证^[584]。

在图4.14a和b中给出了基本PWM和PFM的电路。

图4.14 脉宽调制（PWM）与脉频调制（PFM）的基本原理以及信号波形(www.xing528.com)

a）PWM b）PFM

使用基于时间的方案能带来比常规CMOS APS图像传感器更宽的动态范围。因为积分时间与光生电流成反比,成像仪的动态量程受到积分时间的限制,而积分时间的动态范围可以测量,因此其不再受供电通道数的限制。或者从另一方面来看,基于时间的方法允许每个像素选择自己的光积分时间,这意味着可以实现高的动态量程以及改善信噪比。

PWM和PFM作为像素级A-D转换方案的一部分经常被使用。这部分内容在后面的内容中继续介绍。

PWM/PFM像素可以与异步数字阵列读出（地址事件表示形式,AER）^[65,66]方式相结合,将像素脉冲传送到片外。这种方法产生了各种诸如TTFS类型的成像仪^{[435,340,221,492]}或是生态数字图像传感器^[133]。PFM数字像素同样适用于需要异步独立运算的人工视网膜^{[271,272,399]}。

有些视觉设备已经不在同步系统的范围内了,到目前为止,基于帧的工作方式几乎应用于所有图像传感器。在4.6.5节中,对于异步系统扩充了基于事件的视觉方法。