CN101778191A - 符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置 - Google Patents
符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101778191A CN101778191A CN200910244839A CN200910244839A CN101778191A CN 101778191 A CN101778191 A CN 101778191A CN 200910244839 A CN200910244839 A CN 200910244839A CN 200910244839 A CN200910244839 A CN 200910244839A CN 101778191 A CN101778191 A CN 101778191A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- time
- analog
- integration
- out1
- digital conversion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
Abstract
本发明涉及人眼感光特性、光电传感器,具体讲,涉及符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置。为提出一种适应于人眼在不同光强条件下分辨率特征的大动态范围光电传感器模数转换方法,得到与人眼在亮光和暗光条件下类似的光电响应特性,本发明采用的技术方案是,包括:对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平,通过时序控制电路设定第一次积分时间,积分完成后通过n位ADC对积分器输出电压进行模数转换,在完成第一次积分和模数转换之后,将积分器复位,开始第二次积分,以第一次积分输出的Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出得到最终输出。本发明主要应用于液晶显示屏亮度控制。
Description
技术领域
本发明涉及人眼感光特性、光电传感器、模数转换、液晶显示屏亮度控制,具体讲,本发明涉及符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法
背景技术
用于液晶显示屏亮度控制的半导体光电传感器是将光强信息转换为模拟或数字信号输出的半导体装置,主要用于液晶显示屏亮度自动控制上。在手机、PMP/MP4、笔记本电脑、电子辞典、数码相机、全球定位系统(GPS)、液晶电视等液晶显示屏应用场合中,环境光强会有非常大的变化。夜间最低光强可以达到0.1lux,而白天最高光强可以达到10000lux,这需要液晶显示屏能够根据光电传感器感知得到外界环境亮度来自动调节显示屏的亮度,改善图像质量,同时降低液晶显示屏的耗电量且延长显示屏的寿命。
如图1所示,传统光电传感器由四部分组成:光电二极管,积分电路、模数转换电路和时序控制电路。时序控制电路完成对光电二极管曝光、积分电路复位等电路工作的控制。其工作过程一般为:首先积分电路进入复位状态,将积分电路输出电压复位到预设电平,同时使二极管工作在反偏状态令其清空在PN结空间势垒区存在的载流子。待其完成复位后,积分电路开始积分,在积分时间T内,积分电路对入射至PN结的光生电流进行积分,并转化成输出电平相对于预设电平的变化。积分过程结束后,后续的模数转换电路将此电平变化直接转换成数字化的输出供外部亮度调节电路使用。整个积分过程和转换过程一次性输出最终的数字化亮度值,其在高光强和低光强条件下维持相同的分辨率水平。由于液晶显示屏的应用环境光强变化范围可达到0.1-10000lux,这要求读出电路输出摆幅非常大,而且精度达到满量程的1/100000,对应模数转换器精度在16位以上。在电源电压低于2V的条件下,如果直接进行模数转换,要求模数转换器能够分辨约为20微伏的微弱信号,这些对于模拟电路的设计都是非常困难的。另一方面,人眼对光线强度的敏感度成对数变化,随着光线强度的增加,人眼对亮度变化的敏感度迅速降低。采用直接16位模数转换结构显然与人眼对光强的响应并不一致,在高光强条件下输出高分辨率的光强信息远远高于人眼的分辨精度,不仅在电路设计上具有较高的难度,而且输出了大量冗余信息。因此,环境光强检测要求光电传感器的模数转换特征与人眼在亮光和暗光条件下响应特性相一致。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明的目的在于提出一种适应于人眼在不同光强条件下分辨率特征的大动态范围光电传感器模数转换方法,得到与人眼在亮光和暗光条件下类似的光电响应特性。
为达到上述目的本发明采用的技术方案是,符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法,包括下列步骤:
首先积分电路进入复位状态,对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1,通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1,光电二极管负极输出到积分电路反向输入端进行积分,积分完成后通过n位模数转换器对积分电路输出电压进行模数转换,并将第一次输出结果Dout1存储在外部的寄存器中;
第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整:假设第一次模数转换器可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1,第二次模数转换参考电压最高值即积分电路复位值Vrefh2为:
Vrefh2=Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec=Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定:
Vrefl2=Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec=Vrefl1+([Dout1]dec-1)(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec;
第二次积分时间T2可通过如下计算得出:
T2=T1×2n/[Dout1]dec
其中,2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数,脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示;
将第一次输出结果Dout1作为输入,按照前述第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整值及第二次积分时间T2进行第二次积分,第二次模数转转换完成后输出n位数字量Dout2,并存储于外部寄存器中,以第二次积分输出Dout2作为低n位输出,以第一次积分输出Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出,即可得到最终的数字化光电传感器输出。
符合人眼感光特性的光电传感器模数转换装置,包括:光电二极管、积分电路、积分时间调整电路、模数转换参考电压产生电路,模数转换器、寄存器;
光电二极管负极接积分电路反向输入端,积分电路同向输入端为参考电压输入端;
积分电路反向输入端、积分电路输出端并接一电容和一开关;
积分电路输出端经模数转换器连接到寄存器进行输出;
模数转换参考电压产生电路分别连接模数转换器、寄存器,用于根据寄存器内相应存储值对模数转换器参考电压值进行调整;
积分时间调整电路分别连接开关、寄存器,用于根据寄存器内相应存储值操控开关开合对积分电路积分时间进行调整。
本发明可带来以下技术效果:由于本发明采用n位ADC,通过先后两次积分和两次模数转换,使各亮度区间的有效分辨率随光强增强逐渐降低,在最低光强下实现近似2n位精度,在最高光强下达到n位精度,因而本发明能得到与人眼在亮光和暗光条件下类似的光电响应特性。
附图说明
图1通常情况下的光电传感器读出电路结构图。
图2两次模数转换传输特性曲线,左侧是第一次n位模数转换,右侧是积分时间和参考电压调整后第二次n位模数转换。横坐标是模拟输入,纵坐标是数字输出。
图3采用所述模数转换方法的最佳实施例。
具体实施方式
首先积分电路进入复位状态,对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1,通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1,积分完成后通过n位ADC对积分器输出电压进行模数转换,并将第一次输出结果Dout1存储在外部的寄存器中。在完成第一次积分和模数转换之后,将积分器复位,开始第二次积分。根据第一次模数转换结果确定的光强范围区间,第二次积分时间T2可通过如下计算得出:
T2=T1×2n/[Dout1]dec
其中,2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数,脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示。根据上述积分时间确定方法,当第一次积分输出比较小时,表明光强比较弱,倍增系数较大,积分信号再乘以此系数后进行第二次模数转换时可以获得比较高的分辨率;当第一次积分输出比较大时,表明光强比较强,倍增系数较小,积分信号再乘以此系数后进行第二次模数转换时可以获得比较低的分辨率。这种特性与前述人眼对光强的响应是一致的。
由于在第二次模数转换之前,第二次积分时间将随着倍增系数的不同产生差异,假设两次积分和模数转换期间光强信号不变,第二次模数转换的量化范围需要做出相应的调整:假设第一次模数转换器可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1,第二次模数转换参考电压最高值Vrefh2(即积分电路复位值)为:
Vrefh2=Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec=Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定:
Vrefl2=Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec=Vrefl1+([Dout1]dec-1)(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec
如图3所示,由于模数转换电路的比较器本身只有n位的量化精度,而实际的第二次模数转换量化范围又随着亮度的增强不断减小,因此相对于第一次模数转换,第二次模数转换的可量化区间随亮度的增强逐渐减小,即第二次模数转换的分辨率随亮度的增强逐渐减小,具体的说,对于最暗的亮度区间([Dout1]dec=1),Vrefh2=Vrefh1且Vrefl2=Vrefl1,第二次模数转换的可量化区间仍为2n个,此区间的分辨率仍为n位,而对于最亮的亮度区间([Dout1]dec=2n),Vrefh2和Vrefl2仅相差一个可量化区间,此时第二次模数转换将输出同一个数字化输出,即此区间的分辨率为0位。
第二次模数转转换完成后输出n位数字量Dout2,并存储于外部寄存器中。以此作为低n位输出,以第一次积分输出的Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出,即可得到最终的数字化光电传感器输出。
上述的实施方法以图3的电路结构为佳。其中积分电路由运算放大器,积分反馈电容Cb,积分参考电压Vrefh1组成。其曝光和复位操作由与Cb并联的开关S控制,其在复位后S断开的积分时间T1内,连接于运算放大器负端的光电二极管所产生的光电流i转化为输出电压Vout的变化,最终的Vout输出为Vout=Vref-i×T1/Cb。其中i×T1/Cb正比于光电流,为积分电路的输出电平变化量。此值被与积分电路相连的n位ADC转换为n位Dout1输出,并存储与2n位寄存器的高n位中。同时,Dout1输出作为模数转换参考电压产生电路和积分时间调整电路的输入,依照上述第二次积分时间计算方法和对应的参考电压调整方法,对第二次积分的时间和ADC参考电压进行调整。而后,积分电路以计算得出的积分时间T2开始第二次积分过程,输出调整后的输出电平变化量i×T2/Cb,并进入完成参考电平调整的ADC进行第二次模数转换,转换后不同分辨率的Dout2输出存储于2n位寄存器的低n位中,最终形成2n位数字化输出。
Claims (2)
1.一种符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法,其特征是,包括下列步骤:
首先积分电路进入复位状态,对积分电路输出及光电二极管负极电平复位至参考电平Vrefh1,通过时序控制电路设定第一次积分时间为T1,光电二极管负极输出到积分电路反向输入端进行积分,积分完成后通过n位模数转换器ADC对积分电路输出电压进行模数转换,并将第一次输出结果Dout1存储在外部的寄存器中;
第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整:假设第一次模数转换器可处理的最低和最高输入值为Vrefl1和Vrefh1,第二次模数转换参考电压最高值即积分电路复位值Vrefh2为:
Vrefh2=Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×[Dout1]dec×2n/[Dout1]dec
=Vrefh1
第二次模数转换参考电压最小值Vrefl2由下面的公式确定:
Vrefl2=Vrefl1+[(Vrefh1-Vrefl1)/2n]×([Dout1]dec-1)×2n/[Dout1]dec
=Vrefl1+([Dout1]dec-1)(Vrefh1-Vrefl1)/[Dout1]dec;
第二次积分时间T2可通过如下计算得出:
T2=T1×2n/[Dout1]dec
其中,2n/[Dout1]dec为两次积分时间的倍增系数,脚标的dec代表二进制数Dout1的十进制表示;
将第一次输出结果Dout1作为输入,按照前述第二次积分时模数转换的量化范围做出相应的调整值及第二次积分时间T2进行第二次积分,第二次模数转转换完成后输出n位数字量Dout2,并存储于外部寄存器中,以第二次积分输出Dout2作为低n位输出,以第一次积分输出Dout1作为高n位直接组合成2n位数字量Dout输出,即可得到最终的数字化光电传感器输出。
2.一种符合人眼感光特性的光电传感器模数转换装置,其特征是,包括:光电二极管、积分电路、积分时间调整电路、模数转换参考电压产生电路,模数转换器、寄存器;
光电二极管负极接积分电路反向输入端,积分电路同向输入端为参考电压输入端;
积分电路反向输入端、积分电路输出端并接一电容和一开关;
积分电路输出端经模数转换器连接到寄存器进行输出;
模数转换参考电压产生电路分别连接模数转换器、寄存器,用于根据寄存器内相应存储值对模数转换器参考电压值进行调整;
积分时间调整电路分别连接开关、寄存器,用于根据寄存器内相应存储值操控开关开合对积分电路积分时间进行调整。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN 200910244839 CN101778191B (zh) | 2009-12-17 | 2009-12-17 | 符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN 200910244839 CN101778191B (zh) | 2009-12-17 | 2009-12-17 | 符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101778191A true CN101778191A (zh) | 2010-07-14 |
CN101778191B CN101778191B (zh) | 2013-01-02 |
Family
ID=42514510
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN 200910244839 Expired - Fee Related CN101778191B (zh) | 2009-12-17 | 2009-12-17 | 符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN101778191B (zh) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102195651A (zh) * | 2011-05-30 | 2011-09-21 | 天津大学 | 一种高速模数转换器 |
CN102564583A (zh) * | 2010-11-10 | 2012-07-11 | 夏普株式会社 | 照度传感器和具备该照度传感器的显示装置 |
CN103139491A (zh) * | 2013-03-25 | 2013-06-05 | 天利半导体(深圳)有限公司 | 一种高动态范围低噪声的cmos 传感器芯片 |
CN107576482A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-12 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种光学参数测量装置及其测量方法 |
CN109489813A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-19 | 浙江智慧照明技术有限公司 | 一种智能照明用光传感器 |
CN109556710A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-02 | 浙江智慧照明技术有限公司 | 照明环境光传感器 |
CN111315094A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-06-19 | 美智光电科技有限公司 | 一种光控灯具及其控制方法 |
WO2021128532A1 (zh) * | 2019-12-24 | 2021-07-01 | 清华大学 | 视锥视杆复用式仿生视觉传感器 |
CN117097339A (zh) * | 2023-10-20 | 2023-11-21 | 南京天易合芯电子有限公司 | 一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0804038A2 (en) * | 1996-04-26 | 1997-10-29 | Hamamatsu Photonics K.K. | Solid-state image sensing device |
CN1588469A (zh) * | 2004-09-09 | 2005-03-02 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法 |
JP2006317383A (ja) * | 2005-05-16 | 2006-11-24 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | 光センサ回路 |
CN1875544A (zh) * | 2003-07-14 | 2006-12-06 | 罗切斯特大学 | 用于象素级模数转换的复用输入分离型增量-累加模数转换器 |
-
2009
- 2009-12-17 CN CN 200910244839 patent/CN101778191B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0804038A2 (en) * | 1996-04-26 | 1997-10-29 | Hamamatsu Photonics K.K. | Solid-state image sensing device |
CN1875544A (zh) * | 2003-07-14 | 2006-12-06 | 罗切斯特大学 | 用于象素级模数转换的复用输入分离型增量-累加模数转换器 |
CN1588469A (zh) * | 2004-09-09 | 2005-03-02 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 光电探测器小动态范围信号的过采样和累加处理方法 |
JP2006317383A (ja) * | 2005-05-16 | 2006-11-24 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | 光センサ回路 |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102564583A (zh) * | 2010-11-10 | 2012-07-11 | 夏普株式会社 | 照度传感器和具备该照度传感器的显示装置 |
CN102564583B (zh) * | 2010-11-10 | 2014-08-13 | 夏普株式会社 | 照度传感器和具备该照度传感器的显示装置 |
CN102195651B (zh) * | 2011-05-30 | 2014-03-12 | 天津大学 | 一种高速模数转换器 |
CN102195651A (zh) * | 2011-05-30 | 2011-09-21 | 天津大学 | 一种高速模数转换器 |
CN103139491A (zh) * | 2013-03-25 | 2013-06-05 | 天利半导体(深圳)有限公司 | 一种高动态范围低噪声的cmos 传感器芯片 |
US10401219B2 (en) | 2017-08-31 | 2019-09-03 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Optical parameter measurement device and optical parameter measurement method |
CN107576482A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-01-12 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种光学参数测量装置及其测量方法 |
CN107576482B (zh) * | 2017-08-31 | 2020-06-30 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种光学参数测量装置及其测量方法 |
CN109489813A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-19 | 浙江智慧照明技术有限公司 | 一种智能照明用光传感器 |
CN109556710A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-02 | 浙江智慧照明技术有限公司 | 照明环境光传感器 |
CN109556710B (zh) * | 2018-12-28 | 2024-04-16 | 浙江智慧照明技术有限公司 | 照明环境光传感器 |
WO2021128532A1 (zh) * | 2019-12-24 | 2021-07-01 | 清华大学 | 视锥视杆复用式仿生视觉传感器 |
CN111315094A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-06-19 | 美智光电科技有限公司 | 一种光控灯具及其控制方法 |
CN117097339A (zh) * | 2023-10-20 | 2023-11-21 | 南京天易合芯电子有限公司 | 一种具有高性能动态环境光抑制的接近光检测传感器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101778191B (zh) | 2013-01-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101778191B (zh) | 符合人眼感光特性的光电传感器模数转换方法及实施装置 | |
EP2863192B1 (en) | Optical sensor arrangement and method for light sensing | |
CN102065248B (zh) | 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 | |
US9019002B2 (en) | Self-scaled voltage booster | |
US8508556B2 (en) | Image display method | |
WO2021017766A1 (zh) | 一种像素采集电路、动态视觉传感器以及图像采集设备 | |
CN111629159B (zh) | 成像系统、比较电路及相关比较方法 | |
US9001095B2 (en) | Illumination sensing device having a reference voltage setting apparatus and a display device including the illumination sensing device | |
WO2019019589A1 (zh) | 有源像素传感器及其驱动方法、成像器及电子装置 | |
CN101554038B (zh) | 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 | |
CN103414834A (zh) | 一种屏幕节电方法、装置及移动终端 | |
CN107396009B (zh) | 脉冲频率调制型图像传感器电路及其处理方法 | |
CN103759824B (zh) | 用于可见光传感器的光电转换电路 | |
US20100294918A1 (en) | Photodetection device | |
CN100568915C (zh) | 用于图像传感器的合适可变增益模-数变换的设备和方法 | |
CN107613230A (zh) | 高分辨率大动态范围数字化读出装置及其读出方法 | |
CN204346585U (zh) | 光强度检测电路 | |
US20110221944A1 (en) | Cmos image sensor having a wide linear dynamic range | |
CN103474443B (zh) | 用于测量cmos图像传感器转换增益的像素单元及方法 | |
CN102811320A (zh) | 黑阶补偿电路、影像传感器及相关方法 | |
TW201226864A (en) | Digital image device with ambient light sensor | |
Jin et al. | New flash ADC scheme with maximal 13 bit variable resolution and reduced clipped noise for high-performance imaging sensor | |
CN111819797B (zh) | 用于操作光学传感器装置的方法以及光学传感器装置 | |
JP2008245057A (ja) | アバランシェフォトダイオードの増倍率制御回路 | |
Ahmed et al. | Imager with Dynamic LSB Adaptation and Ratiometric Readout for Low-Bit Depth 5-μW Peak Power in Purely-Harvested Systems |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130102 Termination date: 20131217 |