CN101554038A - 自动调节参考电压的低功耗图像传感器以及包含此传感器的光学点击装置 - Google Patents

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Abstract

感测来自物体的光并输出图像信号的低功耗图像传感器，该低功耗图像传感器包含：图像感测单元，用于感测来自物体的光，将光转换为电信号，并输出电信号；比较单元，用于从图像传感器接收电信号，将电信号的电位与参考电压进行比较，以及输出图像信号作为每像素1bit信号；以及有效图像调节器，用于将比较器输出的图像信号的bit值分布与预设有效范围进行比较，并调节有效图像以输出有效图像。再者，光学点击装置包含：图像传感器，用于感测来自物体的光并输出图像信号；以及运动计算单元，用于接收图像信号并对图像前后进行比较以计算运动矢量，其中，运动计算单元包含：临时存储单元，用于临时储存图像传感器输出的图像数据；比较器，用于将图像传感器输出的图像数据与临时存储单元内储存的图像数据进行比较；方向选择器，用于从比较器输出的值中计算运动矢量；控制器，用于控制运动计算单元的运行。

Description

自动调节参考电压的低功耗图像传感器以及包含此传感器的光学点击装置
技术领域
本发明涉及调节参考电压的低功耗图像传感器以及具有此传感器的光学点击装置，尤其涉及自动调节参考电压的低功耗图像传感器以输出适于运动计算的可靠1bit图像信号以及能够在图像传感器输出图像前后进行计算的光学点击装置，从而有效地预测运动或敲击。
背景技术
本发明涉及光学点击装置以及在其内使用的低功耗图像传感器。通常，光学鼠标或手指鼠标感测到鼠标垫或指纹并计算运动的方向和速度，藉以完成点击功能。
现有的光学或手指鼠标包括图像信号处理芯片，如图1所示。
图1显示出感测图像信息的图像传感器如鼠标垫或指纹。
光闸控制器是用于调节图像传感器的每个像素的积分时间的电路，从而调节感光度。模数(A/D)转换器是用于将图像信号输出的模拟信号转换为数字信号的电路，并通常输出大于4bit的灰阶信号。
预处理器将大于4bit的数字图像信号转换为1bit的信号以方便运动计算。因此，预处理器具有复杂的数字信号处理(DSP)功能，如获得关于1bit图像的最佳信息的离散余弦变换(DCT)。
运动计算单元将当前图像与前一个图像进行比较以计算运动的方向和速度。最终，个人电脑(PC)将运动计算单元计算得到的信息通信至PC。
为了简化运动的方向和速度计算，需要1bit图像并因此预处理器成为必要元件。然而，具有复杂DSP功能的预处理器需要较大的芯片面积并占用很大的功率。特别地，当前所用的小而灵巧的移动装置需要在尺寸上缩小，功耗要低而且处理图像的速度要快，但现有的图像传感器无法满足这些要求。
另外，为了将光学点击装置作为灵巧移动装置的输入装置，需要境地运动计算中的功耗并具有除了运动预测功能之外的如敲击预测功能等等的各种输入功能，但受到了现有技术的局限。
发明内容
为了解决上述现有技术中的问题，需要减小芯片面积以降低成本并使图像传感器直接输出1bit图像以降低功耗。
本发明提出了一种方法，利用简单比较器替代A/D转换器使用并将每个像素的输出电压与参考电压进行比较，借此输出图像信号。
然而，为了获得最佳图像几乎无法测定简单比较器的参考电压。即使有可能，也无法大量生产。
图2显示出实现1bit图像的方法以及其实现的例子。如图2所示，原始图像通过4bit预处理器转换为生动的1bit图像。然而，如果图像传感器的输出信号直接利用比较器转换为1bit图像，则依据参考电压获得不同的图像。
为了利用简单比较器获得高质量的1bit图像，使得该图像与4bit预处理器获得的图像相同，则比较器的参考电压需要依照输入图像适当调节。
因此，在用比较器替代A/D转换器的情况中，很难不利用预处理器直接输出可靠的1bit图像。由于这个原因，预处理器已经在现有技术中使用，尽管其占用相对大的芯片面积并消耗相对多的功率。
从而，本发明的实施例提供了一种图像传感器，其中，利用比较器替代传统的A/D转换器，以直接输出1bit图像信号，并且自动调节最佳参考电压以输出用于运动计算的可靠图像信号。
本发明的另一个实施例提供了一种光学点击装置，降低了运动计算中的功耗并具有运动预测功能而且具有敲击预测功能。
本发明的一个方面提供了一种感测物体光并输出图像信号的低功耗图像传感器，该低功耗图像传感器包括：图像感测单元，用于感测来自物体的光，将光转换为电信号，并输出电信号；以及比较单元，用于从图像传感器中接收电信号，将电信号的电位与参考电压进行比较，并将图像信号作为每像素1bit信号输出。
特别地，低功耗图像传感器可以进一步包括有效图像调节器，用于将比较器输出的图像信号的bit值分布与预设有效范围进行比较，并调节有效图像以输出有效图像。
本发明的一方面用于提供低功耗图像传感器，其感测来自物体的光并输出图像信号，低功耗图像传感器包括：图像感测单元，用于感测来自物体的光，将光转换为电信号，并输出电信号；以及比较单元，用于从图像传感器中接收电信号，将电信号的电位于参考电压进行比较，并将图像信号作为每像素1bit信号输出。
因此，1bit图像信号通过简单比较器输出，而不通过A/D转换器和现有技术中的预处理器输出，从而图像传感器可以改进处理速度并减小尺寸。
低功耗图像传感器可以进一步包括有效图像调节器，用于将比较器输出的图像信号的bit值分布与预设有效范围进行比较，并调节有效图像以输出有效图像。
有效图像调节器可以包括：有效图像测定器，用于将预设有效范围与图像信号内包括的bit信号的“1”或“0”的百分比进行比较，该图像信号对应比较器中输出的总像素，然后测定图像是否有效；以及参考电压调节器，如果有效图像测定器测定图像无效，则调节参考电压。
通过有效图像测定器和参考电压调节器，比较器的参考电压可调，藉以保持运动计算中1bit图像信号有效输出。
有效图像测定器可以包括：计数器，关于总像素对比较器输出的1bit信号的“0”或“1”的数量进行计数；以及数字比较器，用于进行比较，以测定计数器计算的“0”或“1”的数量是否在有效图像的预设范围内并测定图像是否有效。
有效图像测定器可以包括：积分器，用于关于总像素，对比较器输出的1bit信号的“0”或“1”进行积分；以及模拟比较器，用于进行比较，以测定积分器对“0”或“1”进行积分的数量是否在有效图像的预设范围内并测定图像是否有效。
有效图像测定器可以应用电荷泵替代积分器。
如上所述，有效图像测定器可以配置为各种方式，如数字方式或模拟方式。
参考电压调节器可以包括一种装置，关于比较器输出的1bit信号并对应总像素，测定“0”或“1”其中一个的数量是否高于另一个，并逐步N次利用逐次逼近式(SAR)方法上升或下降调节参考电压。
参考电压调节器可以包括：参考电压上升/下降比较器，其关于比较器输出的1bit信号并对应总像素，测定“0”或“1”其中一个的数量是否高于另一个，并决定将输出上升信号和下降信号中的一个；以及N至2N解码器，其基于参考电压上升/下降比较器的结果逐步上升和下降参考电压。
有效图像测定器在SAR方法中每时每刻测定图像是否有效，同时利用SAR方法N次调节参考电压，或者当完成N次SAR方法之后，利用N次SAR方法调节参考电压。
如上所述，参考电压通过SAR运算调节，从而功耗可以降低并且参考电压可以更快调节为最佳值。
参考电压调节器可以关于总像素测定比较器的1bit信号输出中“0”和“1”其中哪一个大于另一个，并利用调节的最小单元上升或下降参考电压。
参考电压调节器可以包括：参考电压上升/下降比较器，其关于比较器输出的1bit信号并对应总像素，测定“0”或“1”其中一个的数量是否高于另一个，并决定将输出上升信号和下降信号中的哪一个；以及电压调节器，基于参考电压上升/下降比较器的结果上升和下降参考电压。
如上所述，参考电压的调节可以利用SAR方法，但最佳可以利用调节的最小单元上升和下降参考电压。
参考电压调节器可以关于总像素测定比较器的1bit信号输出中“0”和“1”其中哪一个大于另一个，并连续改变参考电压上升或下降。
参考电压调节器可以包括：参考电压上升/下降比较器，其关于比较器输出的1bit信号并对应总像素，测定“0”或“1”其中一个的数量是否高于另一个，并决定上升信号和下降信号中的一个将输出；充电泵，基于参考电压上升/下降比较器的结果通过充电或放电调节参考电压。
如上所述，参考电压的调节可以利用模拟方法连续获得。
图像感测单元可以包括：感测来自物体的光的像素阵列并将光转换为电信号；以及选择器，利用行或列单元选择像素阵列中每个像素的电压信号并将所选信号输送至比较器。
因此，与现有技术相反，每个像素的电信号仅利用行或列单元发送至比较器，从而图像传感器改进处理速度并缩小了尺寸。
同时，低耗图像传感器可以进一步包括光闸控制器，用于调节图像感测单元的选择器的工作频率以调节入射像素阵列的光的积分时间。
因此，光积分时间可以根据图像传感器周围的亮度控制，藉以调节感光度。
另外，本发明实施例中包括低功耗图像传感器的集成电路以及在单一芯片上集成可以包括前述低功耗传感器的至少一个功能单元。因此，低功耗图像传感器可以集成在单一芯片上。
本发明的另一方面提供了一种光学点击装置包括：图像传感器，用于感测来自物体的光并输出图像信号；以及运动计算单元，用于接收图像信号并比较图像计算为运动矢量前后，其中，运动计算单元包括：临时存储单元，用于临时储存图像传感器输出的图像数据；比较器，用于将图像传感器中输出的图像数据与储存在临时存储单元内的图像数据进行比较；防线选择器，用于计算比较器输出值的运动矢量；以及控制器，用于控制运动计算单元的运行。
因此，运动矢量检测方法优化后藉以提供可以利用低功耗驱动的光学点击装置。
此时，包括在光学点击装置内的图像传感器可以具有前述其中一个特点。
运动计算单元可以包括运行状态选择器，关于聚焦有效帧数和非聚焦无效帧数至当前图像帧数或关于时间测定物体的运行状态。
同时，如果无效帧数或时间后面的有效帧数小于预定关键值N0，则运行状态选择器可以测定运行为敲击。
如果第一无效帧或时间后面的第一有效帧数小于关键值N0，如果第一无效帧或时间之后的第二无效帧数小于预定关键值N1，以及如果第二无效帧或时间之后的第二有效帧数小于关键值N0，则运行状态选择器可以测定运行为双敲击。
如果无效帧或时间之后的有效帧数大于预定关键值N0，则运行状态选择器可以测定运行为拖拉。
因此，运行状态选择器可以识别敲击，双敲击和拖拉以及点击，就像PC上的鼠标。
运行计算单元可以包括功率控制器，用于控制图像传感器和计算单元，当无输入的时候当物体没有对焦的时候，以及物体保持停止一定时间的时候占用最小的能源。
因此，当光学点击装置没有使用的时候，防止多余的功耗，藉以提供低功耗光学点击装置。
另外，前述光学点击装置可以集成在单一芯片中。
本发明的一方面提供了低功耗图像传感器，其中不需要占用相对大的芯片面积并消耗相对多的功率的预处理器，从而光学点击图像传感器的成本大大地下降并降低了功耗。
本发明的另一方面提供了低功耗图像传感器，其中A/D转换器替换为简单比较器，从而芯片面积可以缩小以降低成本并可以降低A/D装换器的功耗。
本发明的再一方面提供参考电压自动调节器，用于根据输入图像自动调节比较器的参考电压，从而传统的预处理器的性能可以在不具有预处理器的时候实现。
本发明的再一方面，提供了光学点击装置，其降低了云西欧那个计算的功耗并执行运动预测功能和敲击预测功能。
附图说明
图1为显示出传统光学鼠标内的图像信号处理芯片的示意图。
图2为说明实现1bit图像的方法以及其实现后的例子的图式。
图3为显示本发明实施例中具有低功耗图像传感器的图像信号处理芯片的示意图。
图4说明本发明实施例中低功耗图像传感器内的图像感测单元。
图5显示出有效运动计算的有效图像的范围，即，总像素的1bit信号中“1”或“0”的数量范围。
图6和图7为本发明实施例中具有低功耗图像传感器的图像信号处理芯片的详细结构。
图8显示出本发明实施例中低功耗图像传感器内的模拟型有效图像测定器的例子。
图9为本发明实施例中用于解释低功耗图像传感器内通过逐次逼近式(SAR)算法调节参考电压的方法的模拟图式。
图10显示出本发明实施例中低功耗图像传感器内的模拟型参考电压调节器的例子。
图11为本发明实施例中光学点击装置内的计算单元的框图。
图12说明本发明实施例中根据光学点击装置的运行状态控制器内的有效或无效帧，测定运行。
图13为显示出本发明实施例中光学点击装置内功率控制器的运行的流程图。
具体实施方式
下面，将参考所附图式详细描述实现本发明的技术结构。
本发明可以具体化为不同的形式并不局限于文中所举的实施例。当然，提供这些实施例的说明书将会贯通和完整，对于本领域的技术人员而言，将完全阐述出本发明的范围。
I.低功耗图像传感器的结构和功能
为了克服前述现有技术中局限性，本发明提出低功耗图像传感器，其电压可以自动调节，并且不需要A/D转换器以及用于光学鼠标或手指鼠标上的图像信号处理芯片中的预处理器，藉以提供降低成本和占用低功耗的图像处理芯片。
1.结构
根据本发明的实施例，低功耗图像传感器的参考电压可以自动调节，配置如图3所示。
参考图3，低功耗图像传感器包括图像感测单元100，比较单元200和有效图像调节器(有效图像测定器300和参考电压调节器400)。除此之外，低功耗图像传感器包括光闸控制器500，用于调节图像传感器的每个像素所用的积分时间，以便调节感光度。如果本实施例中的图像传感器用作点击装置，如光学鼠标，手指鼠标等等，则低功耗图像传感器可以进一步包括运动计算单元600和接口单元700，如图3所示。
图像感测单元100用于感测来自物体的光并将其转换为电信号，藉以输出电信号。比较单元200将图像感测单元100接收的电信号的电位与参考电压进行比较，并输出图像信号作为每像素1bit信号。
2.图像感测单元的结构和功能
如图4所示，图像感测单元100包括像素阵列110，用于感测来自物体的光并将其装换位电信号，以及选择器130，用于利用行或列的单元选择像素阵列110的每个像素的电压信号并将其传输至比较单元。
像素阵列110的单元像素具有矩阵形式，可以通过普通电路实现，其包括用于接收入射光的光电二极管，以及用于输出光电二极管转换后的电信号的三个晶体管。可选择地，单元像素可以具有一晶体管(1-Tr)结构或者四晶体管(4-Tr)的结构。最佳地，像素阵列110包括至少900个(即，30*30)像素以检测合适的光学点击图像。
像素阵列110的每个像素输出的电压信号经选择器130选择并传输至比较单元200。同时，传统的光学点击图像传感器包括列选择器和行选择器并输出像素的模拟信号，从而不仅仅很难处理图像而且真用很大的功率。另一方面，根据本发明的实施例，如图4所示，仅仅使用列选择器130中列单元将像素的电信号传输至比较单元200，从而功耗可以降低并可以更快地处理信号。可选择地，仅仅可以使用行选择器替代列选择器130。
比较单元200包括由于列选择器130所选的列单元信号，对应像素阵列110内的行数的电压比较器，并将像素阵列110输出的信号电位与列单元的参考电位进行比较。如果信号电压低于(或高于)参考电压，则“1”的数字信号平行输出。另一方面，如果信号电压高于(或低于)参考电压，“0”的数字信号平行输出。因此，输出图像信号基于1bit数据。
与传统的图像传感器相反，本发明中的图像传感器输出每像素1bit图像信号，从而计算单元处理1bit数据。因此，本发明实施例中的电路进行简单操作，减小了尺寸，并与传统的图像传感器相比驱动功率降低。
同时，本发明实施例中的低功耗图像传感器可以进一步包括光闸控制器500，用于调节图像感测单元100的光积分时间。因此，依靠图像传感器周围的亮度，通过调节光积分时间而调节感光度。
光闸控制器500调节列选择器130的工作频率，以便改变帧变率，藉以调节积分时间。
3.有效图像测定器和参考电压调节器的结构和功能
为了使用1bit数据精确传输物体的图像，快速而精确地设定比较单元200内所用的参考电压的最佳值是非常重要的(参考图2)。通常，光学点击图像传感器至少需要每秒大于1000帧检测图像，从而需要快速图像检测。因此，据对需要快速而精确地设定最佳参考电压。，
在这个实施例中，有效图像调节器用于基于比较器200输出的图像信号测定图像是否在运动计算中有效，并用于在图像有效时输出图像信号，并在图像无效的时候通过调节参考电压而输出图像信号。详细地，比较器200输出的图像信号的bit值分布与预设有效图像比较，进而调节参考电压，藉以输出有效图像。有效图像调节器包括有效图像测定器300和参考电压调节器400。
下面，将通过功能描述本发明这种实施例结构。
在本发明实施例中，与现有技术比较，A/D转换器用比较器200取代。另外，有效图像测定器300和参考电压调节器400，取代预处理器使用，用于接收来自有效图像测定器300的反馈并调节比较器200的参考电压。
有效图像测定器300将预设有效范围与对应比较器200输出的总像素的图像信号内包括的bit信号的“1”或“0”的百分比进行比较，并测定图像是否有效。有效图像定义为对应预定范围内变化的总像素的1bit图像内的“0”和“1”的数量。
当图像有效时，保持电流参考电压的控制信号传输至参考电压调节器400，比较器200输出的1bit图像信号传送至运动计算单元600。当图像无效的时候，测定“0”和“1”其中之一大于另外一个，参考电压调节器400根据测定结果控制以增加或降低比较器200的参考电压，藉以允许“0”和“1”的数量包括在有效范围内。
直到1bit图像在有效范围内，无效1bit图像不用传输至运动计算单元600，从而测定没有运动。参考电压调节器400可以通过数模转换器(DAC)以离散式获取，或者模拟式的充电泵获取。
＊3-1有效图像测定器的结构和功能
根据本发明的实施例，有效图像测定器的结构可以实现为多样化，下面详细描述其各种实施例。
3-1-1具有数字计数器和数字比较器的有效图像测定器
在实施例中，如图6所示，有效图像测定器300包括数字计数器310和数字比较器330。计数器310关于总像素计算比较其200输出的1bit信号的“0”或“1”的数量，数字比较器330进行比较以测定计数器310计算的“0”或“1”的数量是否在有效图像的最佳范围内，藉以测定图像是否有效。
当图像有效的时候，参考电压保持而不进行调节，比较器200输出的1bit有效图像发送至运动计算单元600。
当图像无效的时候，参考电压调节器400将“0”和“1”的数量与参考值(也就是，去定“0”和“1”其中哪一个大于另一个)进行比较，并相应调节参考电压。调节参考电压的方法包括SAR式ADC和模拟式充电泵，将在后面描述。
本发明实施例实现如下。如果图像传感器包括100像素，则1000数计数器310机选1000个像素内的“0”或“1”的数量。当有效图像定义为400至600范围内的“0”或“1”的数量的情况下，数字比较器330测定计数器输出范围是否在400至600之间，藉以测定当前图像是否有效。当图像无效的时候，参考电压调节器400给出命令调节参考电压。
3-1-2具有模拟积分器和模拟比较器的有效图像测定器
在实施例中，如图7所示，有效图像测定器300包括积分器350和模拟比较器370。积分器350关于总像素对比较器200输出的1bit信号的“0”或“1”进行积分并将积分值转换为模拟信号。模拟比较器370进行比较，以测定积分器350积分后的“0”或“1”的范围是否在有效图像的最佳范围内，藉以测定图像是否有效。
当图像有效的时候，参考电压保持而不进行调节，比较器200输出的1bit有效图像发送至运动计算单元600。
当图像无效的时候，参考电压调节器400将“0”和“1”的数量与参考值(也就是，去定“0”和“1”其中哪一个大于另一个)进行比较，并相应调节参考电压。调节参考电压的方法包括SAR式ADC和模拟式充电泵，将在后面描述。
本发明实施例实现如下。如图8所示，1000个图像输出应用于积分器或充电泵电路，藉以将“0”或“1”的数量转换为模拟信号。然后，模拟比较器测定转换后的模拟电压是否处于对应400至600范围内的“0”或“1”的数量的电位内，藉以测定当前图像是否有效。当图像无效的时候，参考电压调节器400给出命令调节参考电压。
3-2参考电压调节器的结构和功能
3-2-1使用算法的离散式参考电压调节
根据本发明的实施例，SAR式ADC内使用的算法应用为调节参考电压的方法。根据本发明的实施例，使用此算法的参考调节器包括关于比较器的1bit信号输出并对应总像素测定“0”和“1”其中哪一个大于另外一个的装置，以及通过N次应用逐步逼近式(SAR)方法逐步将参考电压调节上升或下降的装置。
这种参考电压调节器可以包括参考电压上升/下降比较器和N至2N解码器。参考电压上升/下降比较器关于比较器的1bit信号输出并对应总像素测定“0”和“1”的数量哪一个大于另一个，然后决定将输出上升信号还是下降信号。N至2N解码器基于参考电压上升/下降比较器的测定结果逐步改变参考电压上升和下降。
下面，使用SAR方法以调节参考电压的方法将参考图9进行描述。
如图9所示，对应总像素的1bit图像信号通过比较器接收，该比较器从图像传感器接收原始图像并将其与中间参考电压进行比较，并测定“0”和“1”的数量哪一个大于另一个，藉以将中间参考电压改变为其1/4或3/4电位。
然后，对应总像素的1bit图像信号通过比较器接收，该比较器将图像传感器输出的信号与改变后的参考电压进行比较，并测定“0”和“1”的数量哪一个大于另一个，藉以改变如图9所示的参考电压。通过重复N次这些过程，参考电压精确地调节为2N阶。例如，如果N为4，运算结果所产生的效果与传统的4bit预处理器的效果一样。
因此，参考电压的调节基本上可以运用SAR算法，但可以改变测定有效图像和调节参考电压以输出1bit有效图像信号的方法，如下。
3-2-1-1每次结束SAR算法之后测定有效图像
初始操作中，当最佳参考电压通过N次SAR算法设定，则有效图像买次都需要进行测定，并且当图像无效的时候仅仅处理算法。
根据每次测定的有效图像，当测定图像有效的时候，参考电压通过SAR算法无法再进行调节并且参考电压保持以输出逐步图像信号。然后，当测定图像从此无效之后，再一次执行SAR算法，藉以重新设定参考电压。
3-2-1-2处理N次SAR算法之后测定有效图像
初始操作中，SAR算法必须处理N次才能设定最佳的参考电压，最终的1bit图像信号测定在计算运动时有效。
在处理完N次SAR算法之后，如果图像测定有效，则逐步输出图像信号，同时保持参考电压为设定值。另一方面，如果处理N次SAR算法之后仍然测定图像无效，SAR算法将再进行N次处理。
当完成N次的SAR算法之后测定有效图像的时候，可以一直获得最佳的参考电压。由于SAR算法已经处理过N次，则直到计算运动都需要特定时间。另一方面，当结束SAR算法之后每次测定有效图像的时候，如果处理SAR算法时测定图像有效，则不再驱动SAR算法并计算运动，藉以比前者更快地计算运动。然而，在后者的情况下，参考电压不可能为最佳值。
3-2-2不使用SAR算法的参考电压离散式调节
当方法中不使用SAR算法的时候，存在一种通过改变参考电压上升和下降以找到最佳参考电压的方法。
参考图9，初始参考电压设定为“1/2”，然后参考电压通过最小变量1/N阶上升和下降，藉以找到最佳参考电压。
如果最佳参考电压为可变电压的最大值或最小值，则这个方法占用大量的时间寻找最佳参考电压。然而，如果最佳参考电压接近中间值，这个方法找到最佳参考电压所用时间比SAR算法少。
当参考电压每次上升/下降改变稍许的时候，测定图像是否有效，藉以测定参考电压是否最佳。如果测定图像有效，参考电压不再调节，并随后逐步输出1bit图像信号。另一方面，如果测定图像无效，继续上升/下降参考电压的过程。
3-2-3连续式参考电压调节
至此描述的方法测定图像感测单元输出信号是否包括有效图像，并利用离散方法通过DAC调节参考电压。
有效图像的测定与两种方法一起描述，这两个方法包括利用数字计数器和数字比较器的方法，以及使用模拟积分器和模拟比较器的方法。另外，基于有效图像的测定调节参考电压将与SAR算法和使用DAC离散调节算法一起描述。此外，在绝对模拟方式中形成负反馈的连续方法用于调节参考电压。
前述方法都使用离散方式的DAC，用于调节参考电压。然而，有效图像的测定可以通过数字方法或模拟方法完成，如图6和图7所示。
在实施例中，参考电压调节器经过配置，从而参考电压不在离散方式中而在连续方式中调节。
在前述实施例中，SAR方法和上升/下降方法用于以离散方式调节参考电压。然而，在当前实施例中，使用充电泵调节连续方式的参考电压。
在这个情况下，参考电压调节器对应比较器输出的总像素测定1bit信号的“0”和“1”的数量中哪一个大于另一个，并包括参考电压上升/下降比较器和电压调节器。参考电压上升/下降比较器关于参考电压测定上升信号或下降信号哪一个将输出。另外，电压调节器通过根据参考电压上升/下降比较器的测定结果，使电压上升或下降以逐步将参考电压调节至具有最佳值。
根据当前实施例，在比较器的数字数据输出中测定“1”或“0”的数量哪一个大于另一个，藉以输出上升/下降命令。因此，充电泵给予充电/放电或放电/充电命令，藉以连续方式调节充电泵的参考电压，“0”和“1”的数量彼此近似相等。图10为说明以连续方式调节参考电压的模拟式参考电压调节器的电路图。
在这个方式中，参考电压调节器可以应用充电泵(或积分器)，并且有效图像测定器可以使用前述数字或模拟方法。
II.具有低功耗图像传感器的光学点击装置
1.基本结构
本发明实施例中的光学点击装置优化运动矢量检测方法并允许便携式装置中鼠标的输入。换句话说，根据本发明的实施例，提供鼠标式的输入装置，其用于便携式装置的操作系统(OS)，该便携式装置需要所有方向的运动以取代传统的导航键，还用于对可视接口改变作出响应的个人电脑(PC)。对于桌面PC，已经广泛使用利用光学传感器和跟踪球的光学鼠标。对于笔记本电脑，已经广泛使用触摸垫或推杆。然而呢，这些点击装置不适于便携装置。
因此，本发明提供一种通过图像采集传感器预测物体运动的有效算法，以计算运动矢量，以及用作便携式装置的输入单元的装置。
具体地，本发明提供光学点击装置，其减少运动计算中的功耗并具有运动预测功能和敲击预测功能。
这种光学点击装置包括图像传感器，用于感测来自物体的光并输出图像信号；以及运动计算单元600，接收图像信号并比较图像前后进行以计算运动矢量。
运动计算单元600包括临时存储单元620，用于临时储存来自图像传感器的图像数据输出；比较单元610，用于将图像传感器输出的图像数据与临时存储单元620储存的图像数据进行比较以获得图像前后的不同；方向选择器630，用于基于比较单元610输出的值计算运动矢量；以及控制器640，用于控制运动计算单元600。另外，运动计算单元600可以进一步包括运行状态选择器650或功率控制器660，将在后面描述。
图11显示出本发明实施例中光学点击装置内的计算单元的结构。
实施例中的光学点击装置可以连接并使用于便携式装置。在这个情况下，光学点击装置可以进一步包括除了运动计算单元之外的便携式装置的接口。这里，移动电话，跟个人数字助理(PDA)，笔记本电脑，数码照相机，MP3播放器等等可以用作便携装置。
实施例中的光学点击装置最好加工为单一集成电路，藉以实现更小尺寸的输入装置。
在运动计算单元600中，比较单元610将图像传感器输出的当前图像数据与之前储存在临时存储单元620内的图像数据进行比较。例如，比较单元610包括执行XOR运算的XOR运算符，以及接收来自XOR运算符的输出并找出图像前后最小图形差的图形比较单元。
关于之前的图像利用一个像素移动当前图像时，比较单元610找出图像的图形差别。
运动计算单元600的控制器640控制每个功能块。例如，控制器640可以包括设定图像传感器具有适应周围环境的关键值的关键值寄存器，以及调节图像传感器的光强的光源强度寄存器。
在本发明实施例中的光学点击装置，运动计算单元600包括运行状态选择器650，以获取图敲击，拖拉等像计算机鼠标一样的输入方法。
如图12所示，如果关于当前图像帧，无效帧或时间之后的有效帧数小于预定关键值N0运行状态，选择器650测定输入为单敲击操作。另外，如果关于当前图像帧，第一无效帧或时间之后的第一有效帧数小于关键值N0，如果第一无效帧或时间之后的第二无效帧数小于预定关键值N1，以及第二无效帧或时间之后的第二有效帧数小于关键值N0，则运行状态选择器650测定输入为双敲击操作。又，如果关于当前图像帧，无效帧或时间之后的有效帧数大于预定关键值N0，运行状态选择器650测定输入为拖拉操作。这里，关键值N0和N1为用户自由设定的寄存器值。
另外，本发明实施例中的运动计算单元600包括功率控制器660，以减少无输入时的空闲状态下的功率消耗。
功率控制器对于便携装置的输入单元中的低功耗设计非常重要。
当输入信息的时候，输入单元由于无法预期输入所以必须保持开启。尤其，使用图像采集传感器替代按钮式输入单元的情况下，空闲状态中消耗了较大的功率。
因此，本发明提供了一种硬件阻块，用于控制感测单元内所提供的光源的功率供应以及感测单元的功率供应。这里，如果预定周期中没有输入，传感器进入空闲装置，藉以降低功耗。
功率控制器660控制图像采集传感器和计算单元，用于当无输入的时候，即使有输入但物体没有对焦的时候，以及即使物体对焦但物体保持预定周期不动的时候而降低功耗。
图13为本发明实施例中的功率控制器的运行流程图。
如图所示，首先测定是否有输入。如果没有输入，输出单元变为闲置状态。如果有输入，输入单元变为运行状态。当变为运行状态之后，检查物体是否对焦。如果没有对焦，运行状态变为闲置状态。如果对焦，开始预测运动或运行状态的操作。当开始预测运动或运行状态的操作之后，测定物体是否连续移动。如果没有连续移动，输入单元变为闲置状态。
因此，本发明提供了一种低功耗输入装置，其中没有输入的时候，光强在闲置状态内降低，图像传感器和运动极端单元经过控制降低了功耗。
尽管已经显示和描述了本发明的几个实施例，但可以意识到对于本领域的技术人员，可以在不脱离本发明的原理和精神的条件下对这些实施例做出修改，修改的范围定义在所附权利要求及其等效条件中。
工业应用性
低功耗图像传感器及其集成电路可以用于光学点击装置，如光学鼠标或手指鼠标中，并可以用作各种需要小尺寸和低功耗的便携装置的输入单元。

Claims (25)

1.一种感测来自物体的光并输出图像信号的低功耗图像传感器，该低功耗图像传感器包含：
图像感测单元，用于感测来自物体的光，将光转换为电信号，并输出电信号；以及
比较单元，用于由图像传感器接收电信号、将电信号的电位与参考电压进行比较、以及输出图像信号作为每像素1bit信号。
2.如权利要求1所述的低功耗图像传感器，进一步包含：有效图像调节器，用于将比较器输出的图像信号的bit值分布与预设有效范围进行比较，并调节有效图像以输出有效图像。
3.如权利要求2所述的低功耗图像传感器，其特征在于，有效图像调节器包含：
有效图像测定器，用于将预设有效范围与对应比较器输出总像素的图像信号内包括的bit信号的“1”或“0”的百分比进行比较，并测定图像是否有效；以及
参考电压调节器，如果有效图像测定器测定图像无效，调节参考电压。
4.如权利要求3所述的低功耗图像传感器，其特征在于，有效图像测定器包含：
计数器，用于关于总像素对比较器输出的1bit信号的“0”或“1”的数量进行计数；以及
数字比较器，用于进行比较，从而测定计数器所计数的“0”或“1”的数量是否在有效图像的预设范围内并测定图像是否有效。
5.如权利要求4所述的低功耗图像传感器，其特征在于，有效图像测定器包含：
积分器，用于关于总像素，对比较器输出的1bit信号的“0”或“1”进行积分；以及
模拟比较器，用于进行比较，从而测定积分器积分地“0”或“1”的数量是否在有效图像的预设范围内并测定图像是否有效。
6.如权利要求5所述的低功耗图像传感器，其特征在于，有效图像测定器应用充电泵替代积分器。
7.如权利要求3所述的低功耗图像传感器，其特征在于，参考电压调节器包含一种装置，用于关于比较器输出的1bit信号并对应总像素测定“0”和“1”其中之一的数量人于另一个，以及用于通过N次应用逐步逼近式(SAR)方法逐步上升或下降参考电压。
8.如权利要求7所述的低功耗图像传感器，其特征在于，参考电压调节器包含：
参考电压上升/下降比较器，用于关于比较器输出的1bit信号并对应总像素测定“0”和“1”其中之一的数量大于另一个，以及决定将要输出上升信号还是下降信号；以及
N至2N解码器，用于基于参考电压上升/下降比较器的测定结果，逐步上升和下降参考电压。
9.如权利要求7所述的低功耗图像传感器，其特征在于，当利用N次SAR方法调节参考电压时，有效图像测定器测定每次SAR方法中图像是否有效。
10.如权利要求7所述的低功耗图像传感器，其特征在于，当利用N次SAR方法调节参考电压时，有效图像测定器测定完成N次SAR方法之后图像是否有效。
11.如权利要求3所述的低功耗图像传感器，其特征在于，参考电压调节器关于总像素在比较器的1bit信号输出中测定“0”和“1”其中哪一个大于另一个，并通过调节最小单元上升或下降参考电压。
12.如权利要求11所述的低功耗图像传感器，其特征在于，参考电压调节器包含：
参考电压上升/下降比较器，用于关于比较器输出的1bit信号并对应总像素测定“0”和“1”其中哪一个的数量大于另一个，以及决定将要输出上升信号和下降信号中的哪一个；以及
电压调节器，用于根据参考电压上升/下降比较器测定结果，上升或下降参考电压。
13.如权利要求3所述的低功耗图像传感器，其特征在于，参考电压调节器关于比较器输出的1bit信号并对应总像素，测定“0”和“1”其中哪一个的数量大于另一个，并连续上升或下降参考电压。
14.如权利要求13所述的低功耗图像传感器，其特征在于，参考电压调节器包含：
参考电压上升/下降比较器，用于将参考值与通过关于总像素积分比较器输出的1bit信号的“0”和“1”所获得的值进行比较，并决定上升信号和下降信号中哪一个将输出；以及
充电泵，用于根据参考电压上升/下降比较器的测定结果，通过充电或放电调节参考电压。
15.如权利要求1所述的低功耗图像传感器，其特征在于，图像感测单元包含：
像素阵列，用于感测来自物体的光并将光转换为电信号；以及
选择器，用于通过行或列的单元选择像素阵列的每个像素的电压信号，并将所选信号传输至比较器。
16.如权利要求3所述的低功耗图像传感器，进一步包含：光闸控制器，用于调节图像感测单元的选择器的工作频率以调节入射至像素阵列的光的积分时间。
17.一种集成电路包含如权利要求1至6中任意一项所述的低功耗图像传感器并集成在单一芯片上。
18.光学点击装置包含：
图像传感器，用于感测来自物体的光并输出图像信号；以及
运动计算单元，用于接收图像信号并对图像前后进行比较以计算运动矢量，
其特征在于，运动计算单元包含：
临时存储单元，用于临时储存图像传感器输出的图像数据；
比较器，用于将图像传感器输出的图像数据与临时存储单元内储存的图像数据进行比较；
方向选择器，用于从比较器输出的值中计算运动矢量；以及
控制器，用于控制运动计算单元的运行。
19.如权利要求18所述的光学点击装置，其特征在于，图像传感器如权利要求1至16中任意一项所述。
20.如权利要求18所述的光学点击装置，其特征在于，运动计算单元包含运行状态选择器，用于关于聚焦有效帧数和非聚焦无效帧数至当前图像帧或者关于时间，测定物体的运行状态。
21.如权利要求20所述的光学点击装置，其特征在于，如果无效帧或时间之后的有效帧数小于预定关键值N0，运行状态选择器测定操作为敲击。
22.如权利要求20所述的光学点击装置，其特征在于，如果第一无效帧或时间之后的第一有效帧数小于关键值N0，如果第一无效帧或时间之后的第二无效帧数小于预定关键值N1，以及第二无效帧或时间之后的第二有效帧数小于关键值N0，则运行状态选择器测定双敲击操作。
23.如权利要求20所述的光学点击装置，其特征在于，如果无效帧或时间之后的有效帧数大于预定关键值N0，运行状态选择器测定拖拉操作。
24.如权利要求18所述的光学点击装置，其特征在于，运动计算单元包含功率控制器，用于控制图像传感器和计算单元，以在没有输入的时候，物体没有聚焦的时候，以及物体停止预定周期的时候减少功耗。
25.集成电路包含如权利要求18所述的光学点击装置并集成在单一芯片上。
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