基于事件驅(qū)動方式的仿生視覺圖像傳感器，用于高速場景的拍攝

一、項目分類

關(guān)鍵核心技術(shù)突破、顯著效益成果轉(zhuǎn)化

二、成果簡介

隨著虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和混合虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實（MR）技術(shù)、自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)以及機(jī)器視覺等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對圖像傳感器的采集速度提出了更高的要求。傳統(tǒng)基于“幀”掃描形式的CMOS 或 CCD 圖像傳感器較難滿足高速運動物體的拍攝需求，若提高相機(jī)的圖像采集幀率，則需要采用高性能且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，大量的圖像會帶來較大的數(shù)據(jù)冗余，此外，也會面臨功耗高的問題。

相比于傳統(tǒng)的光電和圖像傳感器，生物視網(wǎng)膜具有許多不可比擬的優(yōu)勢。視網(wǎng)膜中的光感受器可根據(jù)外界光強(qiáng)的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)增益，能夠感知超過 180dB 的光強(qiáng)范圍。另外，視網(wǎng)膜基于事件驅(qū)動式的采集方式，僅輸出場景中光強(qiáng)發(fā)生變化的信息，因而，能夠濾除低頻信息帶來的冗余。在信號處理和傳輸上，采用異步通信的方式，通過神經(jīng)節(jié)細(xì)胞將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為時空脈沖信號，實現(xiàn)低功耗。

受到生物視網(wǎng)膜的啟發(fā)，研究人員提出了基于事件驅(qū)動方式的仿生視覺圖像傳感器，用于高速場景的拍攝。該類傳感器多采用對數(shù)像素電路作為光強(qiáng)探測單元，因其動態(tài)響應(yīng)范圍寬，可隨機(jī)讀取。然而，對數(shù)電路在弱光環(huán)境下靈敏度低，幾乎沒有光響應(yīng)，即仍然無法模仿視網(wǎng)膜弱光下的高靈敏度，除此之外，其輸出受到 (Fixed Pattern Noise，F(xiàn)PN)的影響，降低了圖像質(zhì)量。

我們提出了一種兼容 CMOS 工藝的光敏二極管體偏置場效應(yīng)晶體管器件(PD- body biased MOSFET，簡稱 PD-MOS)，其結(jié)構(gòu)圖和等效電路如圖 1所示。

利用 PD 的感光特性以及 MOSFET 的正向襯底偏置效應(yīng)實現(xiàn)集成光強(qiáng)探測及信號放大于一體的光電器件。該器件可解決對數(shù)電路在弱光下靈敏度低的問題，并且提出了一種明暗傳感器的方案以降低噪聲。設(shè)計成像測試方案并搭建靜態(tài)圖像采集測試系統(tǒng)，實現(xiàn)靜態(tài)顯示，通過 MTALAB 進(jìn)行圖像恢復(fù)從而實現(xiàn)動態(tài)圖像顯示功能。

圖 1 (a) PD-MOS 器件結(jié)構(gòu)及其 (b) 等效電路圖

經(jīng)過商用 180nm CMOS 工藝流程制備后的器件概貌如圖 2 所示，圖 (a) 為三種不同像素設(shè)計的芯片實物圖，從上至下分別為環(huán)形結(jié)構(gòu)、條形結(jié)構(gòu)及對數(shù)像素電路，將其中的環(huán)形結(jié)構(gòu)在顯微鏡下放大觀察可看到圖 (b) 所示的形貌，圖 (c) 為4個像素的顯微圖。

圖 2 (a) PD-MOS 成像陣列芯片的實物圖，(b) 環(huán)形結(jié)構(gòu)芯片在顯微鏡下的放大圖以及 (c) 環(huán)形結(jié)構(gòu)像素放大圖

上位機(jī)實時顯示效果如圖3所示，可以明顯看出兩根頭發(fā)相交。子圖 (a) 為暗態(tài)時的 100 幀平均灰度圖，子圖 (b) 為暗態(tài)時的曲面圖，子圖 (c) (e) (g) (i) 為光態(tài)下的圖，子圖 (d) (f) (h) (j) 為光態(tài)下的圖像數(shù)據(jù)減去暗態(tài)下圖像數(shù)據(jù)的降噪圖，可以發(fā)現(xiàn)在30nw/cm2 輻照度下已經(jīng)出現(xiàn)頭發(fā)的輪廓，當(dāng)輻照度繼續(xù)增加，頭發(fā)的輪廓越來越清晰，當(dāng)輻照度達(dá)到 3mw/cm2，仍然可以看到頭發(fā)的輪廓。

圖 3 陣列芯片采集的圖像

不同于傳統(tǒng)計算機(jī)視覺系統(tǒng)的圖像采集方式，生物視覺系統(tǒng)的成像由視野場景中發(fā)生的事件觸發(fā)，且生物視網(wǎng)膜具有寬動態(tài)響應(yīng)范圍、超低功耗以及異步傳輸?shù)忍攸c，這為仿生視覺系統(tǒng)的研究提供了全新的思路。隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛以及安防等領(lǐng)域的快速發(fā)展，它們對高速動態(tài)圖像傳感器的需求也日益提升。近些年，針對這些需求，研究人員提出了一種用于采集高速動態(tài)信息的類視網(wǎng)膜相機(jī)，成為了一大熱點研究方向。類視網(wǎng)膜相機(jī)的工作原理模擬了生物視網(wǎng)膜事件驅(qū)動型的采集方式及異步型的傳輸模式，為動態(tài)視覺成像提供了硬件基礎(chǔ)。綜上，該類傳感器的研究具有十分重要的科研意義和深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)價值。