METODO Y DISPOSITIVO PARA LA DETECCION DE LA VARIACION TEMPORAL DE LA INTENSIDAD LUMINOSA EN UNA MATRIZ DE FOTOSENSORES.

Método y dispositivo de detección de la variación temporal de la intensidad luminosa en una matriz de fotosensores,

que comprende una matriz de pixeles, un bloque de ajuste automático de amplificación de la fotocorriente y un bloque arbitrador y codificador de eventos. Cada pixel comprende un fotosensor que genera una fotocorriente, un espejo de corriente de ganancia ajustable conectado a la salida del fotosensor, un amplificador de transimpedancia colocado a la salida del espejo de corriente, opcionalmente al menos un circuito de amplificación colocado a la salida del amplificador de transimpedancia, condensadores y detectores de umbral para determinar si la tensión de salida sobrepasa un umbral superior o baja por debajo de un umbral inferior para generar un evento en el pixel.

Método y dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa en una matriz de fotosensores. 5

Objeto de la invención La presente invención describe un método y dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa en una matriz de fotosensores que soluciona la problemática asociada a las invenciones del estado de la técnica mediante un método y dispositivo que reemplaza las etapas previas a la etapa de condensadores conmutados por una secuencia de etapas amplificadoras de transimpedancia y transconductancia con espejos de corriente, el primero de ellos de ganancia variable cuya ganancia se ajusta en función del promedio de luz ambiente calculado mediante un sistema de control automático de ganancia común para todos los píxeles. Se consigue así reducir el área del píxel, su consumo, y se consiguen sensibilidades al contraste de alrededor del 1%.

La presente invención se enmarca en el campo de los sensores para visión artificial, y en particular dentro del concepto de los denominados sensores de diferencia temporal o “Sensores Dinámicos de Visión”, “Dynamic Vision Sensor” (DVS) en inglés.

Antecedentes de la Invención Los sensores DVS son cámaras en las que cada píxel genera un evento cada vez que la luz que incide sobre él ha cambiado en una proporción fija desde que éste generara el evento anterior. El evento será positivo si la luz aumentó, o negativo si disminuyó. De esta manera, el sensor genera un flujo de eventos en el tiempo, donde cada 25 evento está definido por la terna (x, y, s) , donde (x, y) son las coordenadas del píxel en la matriz y ‘s’ el signo del evento. Este flujo de eventos representa la escena visual cambiante captada por el sensor. Este concepto de sensor fue originalmente introducido por Kramer ( (J. Kramer, “An Integrated Optical Transient Sensor, ” IEEE Transactions on Circuits and Systems, Part-II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 49, No. 9, pp. 612-628, Sep. 2002) y (J. Kramer, “An on/off transient imager with event-driven, asynchronous read-out, ” IEEE Int. Symp. On Circuits and 30 Systems, ISCAS 2002, vol. II, pp. 165-168, 2002) ) , pero su realización práctica planteaba un severo desapareamiento entre el comportamiento de los píxeles, lo cual limitaba la máxima sensibilidad al contraste temporal que se podía alcanzar a valores de entorno al 30% (P. Lichtsteiner, et al, “Improved ON/OFF Temporally Differentiating Address-Event Imager, ” Proceedings of the 2004 11th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, 2004. ICECS 2004, pp. 211-214) . Para mejorar este estado de la técnica, Lichtsteiner propuso posteriormente un sensor mejorado introduciendo una etapa de condensadores conmutados autotemporizada con dos condensadores (US 5168461) que proporcionaba un inferior desapareamiento entre el comportamiento de los píxeles, haciendo así posible que se alcanzaran sensibilidades al contraste temporal del orden del 15% ( (P. Lichtsteiner, et al, “A 128×128 120 dB 15μs Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor, ” IEEE J. Solid-State Circ., vol. 43, No. 2, pp. 566-576, Feb. 2008) y (US 7728269 B2) ) .

Sin embargo, la etapa de condensadores conmutados requería que los dos condensadores tuvieran un valor muy dispar, lo cual en una realización de circuito integrado se traduce en que requieren un área apreciable dentro del área de cada píxel. En el sensor fabricado por Lichtsteiner ( (P. Lichtsteiner, et al, “A 128×128 120 dB 15μs Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor, ” IEEE J. Solid-State Circ., vol. 43, No. 2, pp. 566-576, Feb. 2008) y

(US 7728269 B2) ) estos condensadores ocupaban aproximadamente dos tercios del área total del píxel. Por consiguiente, al ser los píxeles grandes, el chip ocupa un área grande y es costoso económicamente. Con el objeto de mejorar este nuevo estado de la técnica, Leñero (J. A. Leñero-Bardallo, at al, "A 3.6us Asynchronous Frame-Free Event-Driven Dynamic-Vision-Sensor, " IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 46, No. 6, pp. 1443-1455, June 2011) propuso reducir la disparidad entre el valor de los condensadores a la vez que introducía una etapa amplificadora de 50 tensión de área muy reducida previa a la de condensadores conmutados, consiguiendo así reducir el área del píxel, así como mejorar ligeramente la sensibilidad al contraste temporal hasta valores de en torno al 10%. Sin embargo, esta etapa amplificadora presentaba un alto consumo y deterioraba ligeramente el desapareamiento entre el comportamiento de los píxeles.

Para explicar la mejora que supone la presente invención respecto del estado de la técnica, se ha tomado como referencia el sensor de Lichtsteiner (US7728269 B2) , cuyo diagrama de píxel simplificado se muestra en la figura 1. La luz sensada por el fotodiodo D se transforma en la fotocorriente Iph. Los transistores T1 a T4 transforman logarítmicamente Iph a la tensión VP1 = Voffset + Volog (Iph) en el nodo P1. La fotocorriente Iph que circula a través del transistor T4 y que sale por su nodo drenador P0, que se comparte por todos los píxeles de la matriz, se suma en el

bloque sumador de corrientes ΣI, que suma así las fotocorrientes de todos los píxeles en la matriz. Esta suma se emplea después para ajustar automáticamente la compuerta del transistor T3 en los píxeles para minimizar el

consumo del amplificador T1-T3 adaptándolo a la luz ambiente (US 2004/065876) . Los transistores T5a y T5b copian VP1 al nodo P2. En la mejora de Leñero éstos dos transistores se reemplazan por una etapa amplificadora de tensión con ganancia Av, de manera que la tensión en P2 sería VP2 = Av (Voffset + Volog (Iph) ) , siendo Av=1 para la realización de Lichtsteiner y Av>1 para la realización de Leñero. El circuito de condensadores conmutados formado por los 5 condensadores C1 y C2 y los transistores T6 a T8, copia a P3 la variación de tensión en P2 desde un instante anterior de reseteo t1, multiplicado por la ganancia capacitiva AC=C2/C1. Así VP3 (t) = AC (VP2 (t) – VP2 (t1) ) = ACAvVolog (Iph (t) /Iph (t1) ) . Los transistores T9 a T11 detectan si VP3 (t) supera un determinado umbral positivo VR+, y si es así, generan un evento positivo (ON) . Los transistores T12 a T14 detectan si VP3 (t) baja por debajo de un umbral negativo VR-, y si es así, generan un evento negativo (OFF) . Cada vez que el píxel genera un evento, se produce un 10 reseteo del condensador C1 mediante el transistor de reset T7. Así el píxel genera un evento positivo en el instante t2 si VP3 (t2) ≥ VR+ = ACAvVolog (Iph (t2) /Iph (t1) ) , y un evento negativo si VP3 (t2) ≤ VR-= ACAvVolog (Iph (t2) /Iph (t1) ) . Esto puede expresarse también como ΔI/I = exp ( (VR+/-) / (ACAvVo) ) -1 = θ+/-. Donde el parámetro θ+/-representa la sensibilidad al contraste positivo o negativo. El valor mínimo que se pueda ajustar para esta sensibilidad al contraste viene dado por la dispersión entre píxeles de los parámetros VR+/-, AC , Av yVo . El parámetro Vo es normalmente función de 15 constantes físicas y no sufre dispersión de píxel a píxel en el mismo chip. La dispersión de los parámetros VR+/-viene dada por la dispersión en el comportamiento del amplificador T6 y T8 y de los comparadores de tensión (transistores T9 a T11 y T12 a T14) y es normalmente alto debido a que el amplificador T6 y T8 y los comparadores se hacen pequeños para reducir el área total del píxel. El impacto del alto desapareamiento del amplificador y de los comparadores se reduce haciendo el producto del denominador ACAv alto. En el estado de la técnica de Lichtsteiner 20 Av=1, por lo que era obligatorio hacer AC lo más grande posible. Por ejemplo, en la realización de Lichtsteiner (P. Lichtsteiner, et al, “A 128×128 120 dB 15μs Latency Asynchronous Temporal Contrast Vision Sensor, ” IEEE J. Solid-State Circ., vol. 43, No. 2, pp. 566-576, Feb. 2008) se le dio un valor de 20. El parámetro AC también sufre de dispersión de píxel a píxel, pero es reducida ya que en circuitos integrados las relaciones entre capacidades de condensadores sufren baja dispersión (típicamente por debajo del 1%) . En la realización de Leñero, el parámetro Av

también introduce dispersión. Sin embargo, el parámetro AC se pudo reducir a 5 mientras que Av se fijó entorno a 25. De esta manera el producto era 125, lo cual mejoraba la sensibilidad al contraste total a pesar de aumentar ligeramente la dispersión. Sin embargo, la etapa extra amplificadora aumentaba muchísimo el consumo del píxel (por encima de un factor 10) .

Por tanto, el estado de la técnica plantea el problema de que...

1. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa en una matriz de fotosensores, 5 caracterizado porque al menos comprende:

-una matriz de píxeles, donde cada píxel al menos comprende: a) un fotosensor que genera una fotocorriente proporcional a una luz incidente en su superficie; b) un espejo de corriente de ganancia ajustable (8) que comprende una rama de entrada, una primera rama

de salida con ganancia en corriente ajustable y una segunda rama de salida con ganancia fija, que copian la fotocorriente de entrada a sendas salidas y donde la rama de salida con ganancia fija se conecta a un transistor colector (T4c1) conectado en configuración diodo y cuyos nodos están conectados con los transistores colectores del resto de píxeles de la matriz; c) un amplificador de transimpedancia (T6a1-T6d1) colocado a la salida del espejo de corriente de ganancia ajustable, estando el amplificador formado por al menos dos transistores MOS polarizados en inversión débil y colocados en serie, cada transistor MOS estando en configuración diodo, para la conversión de la fotocorriente a una tensión logarítmica; d) un circuito de condensadores conmutados (14) que comprende un primer condensador (C4) conectado a la salida del amplificador de transimpedancia (T6a1-T6d1) , un amplificador de tensión (T10a1-T10b1)

conectado al primer condensador (C4) y un segundo condensador (C3) conectado en serie con el primer condensador (C4) y en realimentación con el amplificador de tensión, estando conectado el segundo condensador en paralelo con un transistor MOS (T111) que actúa de llave de reset; y, e) un primer detector de umbral para determinar si la tensión sobrepasa un umbral superior y un segundo detector de umbral para determinar si la tensión baja por debajo de un umbral inferior, estando ambos detectores conectados a la salida del amplificador de tensión (T10a1-T10b1) y estando los umbrales superior e inferior previamente establecidos por un usuario. -un bloque de ajuste automático de amplificación de la fotocorriente que calcula el promedio de las fotocorrientes de los píxeles de la matriz; y, -un bloque arbitrador y codificador de eventos conectado a la salida de la matriz de píxeles.

3.

2. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según la reivindicación 1, caracterizado porque la conexión del amplificador de transimpedancia (T6a1-T6d1) con el circuito de condensadores conmutados (14) se realiza mediante la interposición de al menos un bloque de amplificación adicional (10) , estando conectados los bloques de amplificación (10) en cascada o iteración, donde la entrada del

primer bloque de amplificación adicional (10) se conecta a la salida del primer amplificador de transimpedancia (T6a1-T6d1) y la salida del último bloque de amplificación adicional (10) se conecta al primer condensador (C4) del circuito de condensadores conmutados (14) , donde cada bloque al menos comprende un amplificador de transconductancia (11) , un espejo de corriente de ganancia fija (12) conectado a la salida del amplificador de transconductancia (11) y un amplificador de transimpedancia (T9a1-T9c1) adicional con al menos dos transistores MOS polarizados en inversión débil y conectados en configuración diodo, estando el segundo amplificador de transimpedancia conectado a la salida del espejo de corriente de ganancia fija;

3. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según la reivindicación 2 caracterizado porque cuando existe más de un bloque de amplificación adicional (10) , los bloques (10) se conectan 45 entre ellos en cascada o iteración, mediante la conexión del terminal compuerta del amplificador de transconductancia (11) de cada bloque con la salida del amplificador de transimpedancia (T9a1-T9c1) adicional del bloque previo.

4. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según las reivindicaciones 1 a 3, 50 caracterizado porque el espejo de corriente de ganancia ajustable está formado por al menos un transistor MOS de entrada (T4a1) , un transistor MOS de salida (T51) y un amplificador inversor de tensión (T11-T31) .

5. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según la reivindicación 4, caracterizado porque en el transistor MOS de entrada (T4a1) del espejo de corriente de ganancia ajustable tiene:

-su terminal de compuerta conectado a una tensión VG fijada previamente por un usuario desde el exterior del dispositivo; -su terminal drenador conectado al fotosensor; y, -su terminal fuente conectado a la salida del amplificador inversor de tensión (T11-T31) .

6. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque el transistor MOS de salida (T51) del espejo de corriente de ganancia ajustable tiene: -su terminal fuente conectado con el terminal fuente del transistor MOS de entrada (T4a1) ;

- su terminal de compuerta conectado a una tensión VGA que se fija mediante el circuito de control automático de ganancia; y, -su terminal drenador conectado a la entrada del primer amplificador de transimpedancia (T6a1-T6d1) .

7. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, el bloque arbitrador y codificador de eventos comprende un procesador para, cuando el primer detector de umbral determina que la tensión ha sobrepasado el umbral superior o cuando el segundo detector de umbral determina que la tensión ha bajado por debajo del umbral inferior, determinar unas coordenadas x e y correspondientes a la posición del píxel en la matriz y generar un evento con signo s,

estando determinado el signo s por el primer y segundo detector de umbral, generado una palabra que codifica en binario el conjunto formado por las coordenadas (x, y) y el signo s.

8. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el bloque para el ajuste automático de la amplificación de la fotocorriente es un circuito de control automático de ganancia que al menos comprende: a) una réplica del transistor colector de los píxeles (T4c2) . b) una réplica del espejo de corriente de ganancia ajustable del píxel en el cual el terminal de compuerta de su transistor MOS de entrada (T4a2) está conectado a una tensión VG, su transistor MOS de salida (T52) a una tensión VGA’ y su salida se conecta a una primera referencia de corriente Ib1;

c) un primer amplificador de tensión diferencial (A1) cuya entrada negativa se conecta a la salida del espejo, cuya entrada positiva se conecta a una referencia de tensión, y cuya salida se conecta a la compuerta del transistor MOS de salida (T52) , generando la tensión VGA’; d) un segundo amplificador de tensión diferencial (A2) , conectado en configuración de ganancia unidad, que copia la tensión VGA’ a los terminales de compuerta de los transistores de salida (T51) de los espejos de corriente de ganancia ajustable (8) de los píxeles cuya tensión es VGA;

9. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según la reivindicación 8, caracterizado porque el bloque para el ajuste automático de la amplificación de la fotocorriente comprende un segundo transistor MOS de salida (T5b2) del espejo de ganancia ajustable que comparte los terminales de compuerta y fuente con el primer transistor MOS de salida (T52) , y cuyo terminal drenador constituye una segunda salida del espejo y una etapa de ajuste adicional por cada bloque de amplificación adicional (10) del píxel, donde cada etapa de ajuste adicional comprende: -un amplificador de transimpedancia (T6a2-T6d2) que es una réplica del primer amplificador de transimpedancia en los píxeles (T6a1-T6d1) cuya entrada se conecta a la salida del transistor MOS de salida (T5b2) generando en el

amplificador (T6a2-T6d2) una tensión logarítmica; -un amplificador de transconductancia (T72) que es una réplica del amplificador de transconductancia (11) en los bloques de amplificación adicional (10) en los píxeles (T71) , cuya compuerta se conecta a la salida del transistor MOS de salida (T5b2) , su fuente está a un voltaje VQ1 común a todos los píxeles, y cuyo drenador se conecta a una referencia de corriente Ib2; y,

-un tercer amplificador de tensión diferencial (A3) cuya entrada negativa se conecta a la segunda referencia de corriente Ib2, cuya entrada positiva se conecta a una referencia de tensión, y cuya salida se conecta al nodo VQ1

10. Dispositivo para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según una cualquiera de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado porque el bloque de ajuste automático de la amplificación de la fotocorriente 45 comprende una etapa de ajuste adicional por cada bloque de ajuste adicional del píxel, estando cada etapa de ajuste adicional conectada en cascada o iteración a la etapa de ajuste adicional previa.

11. Método para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa en una matriz de fotosensores, que hace uso del dispositivo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque en cada 50 píxel de la matriz, se llevan a cabo al menos las siguientes etapas: 1) transformar la luz incidente en el píxel en una corriente Iph mediante el fotodiodo; 2) amplificar la corriente Iph hasta un valor AIIph mediante el espejo de corriente de ganancia ajustable; 3) adaptar el valor AI de forma que el promedio de AIIph permanezca constante frente a las variaciones temporales de la intensidad luminosa promedio de todos los píxeles mediante el bloque de ajuste 55 automático de amplificación de la fotocorriente, que ajusta la amplificación AI en la etapa 2;

4) convertir la corriente AIIph adaptada a una tensión mediante el amplificador de transimpedancia (T6a1-T6d1) que comprende una pluralidad de transistores MOS polarizados en inversión débil y conectados en serie, estando cada uno de ellos conectado en configuración diodo;

5) determinar en el circuito de condensadores conmutados una diferencia de tensión ΔV= V (t2) -V (t1) entre 60 dos instantes consecutivos t1 y t2, provocada por una variación temporal de la intensidad luminosa y comparar la diferencia de tensión con un valor de referencia fija positiva VR+ y un valor de referencia fija negativa VR-, siendo VR+ y VR-iguales para todos los píxeles de la matriz; 6) generar la señal digital s que se envía al bloque arbitrador y codificador de eventos, estando la señal

seleccionada entre: -un evento positivo cada vez que el primer detector de umbral determina que la tensión sobrepasa el umbral superior, generado en el primer detector de umbral; y,

-un evento negativo cada vez que el segundo detector de umbral determina que la tensión baja por debajo del umbral inferior, generado en el segundo detector de umbral; y en el bloque arbitrador y codificador de eventos conectado a la salida de la matriz de píxeles se llevan a cabo las siguientes etapas:

-identificar las coordenadas espaciales (x, y) de los píxeles de la matriz que han generado una señal digital.

-enviar a un elemento externo al dispositivo un evento que contiene las coordenadas espaciales (x, y) y la señal s; y, -generar un flujo de eventos (x, y, s) que representan la variación temporal de intensidad luminosa en la matriz de fotosensores.

12. Método para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según la reivindicación 11, caracterizado porque se calcula una diferencia en la tensión entre dos instantes consecutivos de reset mediante el circuito de condensadores conmutados.

13. Método para la detección de la variación temporal de la intensidad luminosa, según la reivindicación 11 o 12,

caracterizado porque tras convertir la corriente AIIph adaptada a una tensión y como etapa previa a determinar en el circuito de condensadores conmutados una diferencia de tensión ΔV= V (t2) -V (t1) , comprende amplificar la tensión proveniente de la conversión de la corriente AIIph mediante el al menos un bloque de amplificación adicional (10) .