一种用于高背景光环境应用的、受视网膜结构启发的CMOS光学芯片的设计

《Sensors and Actuators A: Physical》：Design of a CMOS retinal-inspired optical chip for high background light environment applications

CMOS视网膜启发式光学芯片设计及高背景光环境应用验证。该芯片通过集成光电传感器和边缘提取电路，有效抑制强光环境下光电信号过载和饱和现象，实现正常图像处理功能。测试显示其可在高光照条件下稳定工作，最大检测速度达93.4 mm/s。

　　

蒋承达|林东义|张俊琦

国立嘉义大学电气工程系，嘉义600，台湾

摘要

本文创造性地提出了一种适用于高背景光环境的CMOS视网膜启发式光学芯片。所有受视网膜启发的集成处理电路和光电传感器都被紧凑地结合在一起。该设计技术不仅具备视网膜启发式光学芯片的基本功能，还能有效减轻高背景光环境的不利影响。通过测量结果，在高光照环境下成功测试了正确的操作。

引言

在现代生活中，基于视网膜启发的光学芯片已被广泛应用于各种领域，包括植入式视网膜假体、用于图像采集和预处理的成像传感器，以及利用神经元启发式算法和硬件进行图像处理的视觉神经形态计算。关于人类视网膜如何适应光照的相关生物学研究可参考[1]、[2]、[3]。相比之下，关于视网膜启发式光学芯片的研究[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。然而，以[16]和[25]为例，它们通常在13.8 lux和121.2 lux的光照条件下运行。因此，当它们在高光照环境中使用时，强光源直接照射在光电传感器上会导致传感器接收到过多的光信号，超出其测量范围或容易饱和，从而影响读数。因此，本文旨在创造性地解决视网膜启发式光学芯片在高光照环境中使用时每个像素内部可能出现的错误问题。为了克服这些挑战，所提出的视网膜启发式光学芯片不仅能够实现哺乳动物视网膜中的正常图像采集过程（将光电传感器作为感光细胞，平滑网络作为水平细胞，边缘提取电路作为双极细胞），还能消除高光照环境对每个像素的影响。本文为读者提供了对整个设计技术的全面理解。相关现有技术见表1。如果没有实现所提出的电路，[16]和[25]将无法在高背景光环境中正常工作。如所示，所提出的工作可以在高背景光环境中实现可用的电路操作。

基于0.35-μm TSMC 2P4M的CMOS工艺，制造的传感器阵列尺寸为32×32。光电传感器的像素尺寸为90×90 μm2，填充率为53.1%。整个芯片面积为3.79×3.79 mm2。在高光照环境下消除每个像素内的感应光电流后，静态测量了正确的图像边缘提取操作。此外，还动态测量到了93.4 mm/s的最大检测速度。所提出的视网膜启发式光学芯片的电路操作得到了成功测试。

整个电路及其仿真结果展示在第二节中。第三节展示了测量结果。第四节总结了这项工作。

节选内容

电路架构与仿真结果

首先讨论了整个芯片的系统架构。像素阵列由32×32个像素组成。为了提取完整的二维（2-D）图像，使用行解码器和列解码器依次捕获像素的输出。这些数字输出随后由计算机记录。图1展示了所提出的视网膜像素的架构。每个像素包括一个电流镜、一个边缘提取器和一个反相器。每个像素都连接到背景光去除电路上，

测量结果

图9展示了微照片。传感器阵列的尺寸为32×32。光电传感器的像素尺寸为90×90 μm2，填充率为53.1%。光电传感器采用P?-N阱结构实现。整个芯片面积为3.79×3.79 mm2。图10中展示了测量装置中包含的电源、滑块、背景光源、投影仪、激光光源、数字万用表、LeCroy WaveAce 2034示波器和所提出的芯片。

结论

本文提出了一种适用于高背景光环境的CMOS视网膜启发式光学芯片。与[16]和[25]不同，后者用于低背景光照环境，所提出的芯片可以在高光照环境中成功运行。通过测量证明，该设计技术不仅具备视网膜启发式光学芯片的基本功能，还能有效减轻高背景光环境的不利影响。在未来的研究中，

作者贡献声明

蒋承达：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。林东义：撰写 – 审稿与编辑。张俊琦：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：蒋承达报告获得了国立嘉义大学的财务支持。蒋承达与国立嘉义大学存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢台湾半导体研究所对芯片制造的协助。

蒋承达（S’00-M’05-SM’13）1977年出生于中国台湾地区。他分别于1999年在台湾中原基督教大学获得电子工程学士学位，2001年在台湾国立成功大学获得生物医学工程硕士学位，2006年在台湾国立交通大学获得电子工程博士学位。他曾是电气与计算机工程系的访问学者，