CN101800853A - 能够判别与物体的邻近度的图像传感器 - Google Patents

能够判别与物体的邻近度的图像传感器 Download PDF

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Abstract

一种图像传感器，其能够判别与物体的邻近度。该图像传感器通过特定波段的红外(IR)光的存在与否而利用由光学传感器(例如，邻近度像素)测量的输出电压值的变化来判别与物体的距离。因而，该图像传感器使普通的图像传感器容易地实现邻近度功能，并且可以当在夜间拍摄模式或在邻近度拍摄模式中获得图像时，使对图像质量的损害最小。

Description

能够判别与物体的邻近度的图像传感器
技术领域
本发明通常涉及一种图像传感器，更具体地，涉及一种能够判别与物体的邻近度的图像传感器，当由光学传感器(例如，邻近度像素)测量时，基于由红外线(IR)的特定波段存在与否造成输出电压值的变化来判别与物体之间的距离，从而使普通的图像传感器能够容易地实现邻近度功能，并且当在夜间拍摄模式或在邻近度拍摄模式中获得图像时使对图像质量的损害最小。
背景技术
通常，使用电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器具有400nm至1100nm之间的吸收带。此外，可见光通常具有380nm至650nm的波长范围，红外(IR)光具有650nm至1100nm的波长范围。这些图像传感器通常采用IR截止滤光片，该IR截止滤光片透射波长为650nm或小于650nm的光并且截断波长为650nm或大于650nm(即，IR波段)的光，从而能够感测并显示与人眼可见的颜色相同的颜色。
为了在外部光微弱(例如，在夜间或灯被熄灭之后)的环境中使用该图像传感器对封闭空间等进行拍摄(例如，在监控摄像机中)并获得图像，通常将IR区域的光用作光源的光。在该方式中，当根据外部环境将IR区域的光用作光源的光时，如果来自外部光源的光充足，则通过IR截止滤光片截断IR区域的光，从而改进图像质量。然而，当来自外部光源的光不足并使用IR区域的光作为光源的光时，通过移除IR截止滤光片来允许IR区域的光到达图像传感器。
因此，使用图像传感器的常规系统应该被配备能够根据外部光源改变IR截止滤光片的位置的移动装置。在该方式中，因为安装了用于机械移动IR截止滤光片的移动装置，因此监控摄像机变得笨重并且生产成本增加。
此外，在常规图像传感器中使用的IR发光二极管(LED)通常仅限于作为用于在黑暗环境中获得图像的光源。
最近，在使用移动设备(例如，数字照相机或移动电话等)、电子设备等时，增加了对确定用户与移动设备相隔多远的邻近度功能的需求，并且允许移动设备被自动控制。同样地，建议以如下方式使用移动设备：在测量用户与移动设备之间的距离、并因而基于距离信息确定用户邻近移动设备的情况中，移动设备能够自动地中断对黑光单元(BLU)的供电以降低功耗或者自动停止触觉传感器的操作以防止误动作。
通常，为了实现该邻近度功能，使用LED和光电检测器分离制造的邻近度传感器通常安装在移动设备或电子设备上。
然而，在以这种方式安装分离的邻近度传感器的情况中，移动设备或电子设备的体积增加，从而与朝向使产品小型化并实现多功能的可能性的当前技术趋势相背。此外，增加了用于安装分离的邻近度传感器的生产成本。
发明内容
因此，在紧记发生在现有技术中的上述问题的前提下实现了本发明，本发明的实施方式提出了一种能够判别与物体的邻近度的图像传感器，在系统(例如，具有图像传感器的照相机)中提供了红外(IR)发光二极管(LED)和IR带通滤光片，所述IR LED发射具有特定波段的IR光的一部分并且用作夜间拍摄的光源，所述IR带通滤光片能够透射可见光和具有该特定波段的IR光，从而通过截断与特定波段不同的其它波段的IR光使对图像质量的损害最小，测量由从IR LED发射的、从物体反射并入射到传感器元件的特定波段的IR光造成的传感器元件的输出电压值的变化，并且基于所述输出电压值的变化判别与物体的距离。
根据本发明的一方面，提出了一种能够判别与物体的邻近度的图像传感器。所述图像传感器包括：光源，向所述物体发射特定波段的红外(IR)光；光源控制器，具有产生控制所述光源打开和关闭的控制信号的发光二极管(LED)控制器和通过所述控制信号控制提供给所述光源的功率的LED驱动器；IR带通滤光片，置于透镜与传感器元件之间，所述透镜将从所述物体反射的入射光透射至所述传感器元件，所述传感器元件接收所透射的光，所述IR带通滤光片仅透射具有特定波段的IR光的一部分和可见光；所述传感器元件具有电压感测部件和图像感测部件，所述电压感测部件接收通过所述IR带通滤光片的光并产生与所接收的光对应的输出电压，所述图像感测部件获得通过所述IR带通滤光片进入的图像；以及邻近度判别单元，其利用输出电压差来判别与所述物体的邻近度，所述输出电压差是由穿过具有特定波段的所述IR带通滤光片并入射到被提供给所述电压感测部件的邻近度像素上的IR光存在与否造成的。
根据本发明的实施方式，所述图像传感器包括发射具有特定波段的IR光的一部分的IR LED和透射具有特定波段的IR光的IR带通滤光片，并且所述图像传感器控制IR LED的发射，检测在IR光发射之前和之后从物体输入的图像信号造成的输出电压值的变化，容易地判别与物体的邻近度，从而所述图像传感器能够实现邻近度功能。
附图说明
通过结合附图，在阅读下面详细描述之后将更清楚地理解本发明的上述目标以及其它特征和优点，其中：
图1示出了在插入黑数据以驱动有效数据的技术中被施加到连续水平线的数据的电压波形；
图2是示出了根据本发明的实施方式的IR带通滤光片的透射率的图；
图3示出了根据本发明的实施方式被配置有亮度传感器和邻近度像素的电压感测部件的构造；以及
图4是示出了根据本发明的实施方式、通过邻近像素的输出电压值的变化来判别与物体的邻近度的图表。
具体实施方式
下面对本发明的优选的实施方式进行详细描述，附图解释了本发明的实施例。贯穿全部的附图和说明书，相同的标号用于指代相同或类似的部件。
图1示出了根据本发明实施方式的能够判别与物体的邻近度的图像传感器的系统的构造。
参照图1，用于根据本发明实施方式的能够判别与物体的邻近度的图像传感器的系统100包括：光源110，向物体130发射光；光源控制器120，控制光源110的打开和关闭；透镜140，从物体130接收图像；红外(IR)带通滤光片200，置于透镜140与传感器元件150之间并且仅透射特定波段的IR光以及可见光；传感器元件150，接收通过IR带通滤光片200的光以获得图像，并且检测与物体130的邻近度；以及邻近度判别器210，其通过从光源110发射的光、利用传感器元件150的输出电压值之间的差值来判别与物体130的邻近度。
光源110被配置为IR发光二极管(LED)，其在光源控制器的控制下向物体发射特定波段的IR光。
在该实施方式中，从作为光源的IR LED发射的IR光的波长示例性地为900nm。然而，从IR LED发射的IR光的波长不限于900nm，其可根据与传感器元件150交互的IR带通滤光片的特性进行不同地选择。
例如在该实施方式中，当光源110被配置为发射波长为900nm的IR光的IR LED、并打开光源110以作为夜间拍摄的照明或判别与物体的邻近度时，人不会感到耀眼，从而他/她几乎感觉不到IR LED的闪烁。反之，检测从物体发射的光的传感器元件增强了灵敏度，使得它能够获得更精确的图像并且能够以更高的精确度测量邻近度。
此外，通过使用波长为900nm的IR光作为光源的光，以及通过在IR带通滤光片200处截断具有除了该波长以外的任何其它波长的IR光，可以使颜色特征的退化最小。实际上，当波长为900nm的IR光用作夜间拍摄或邻近度判别的光源的光时，IR带通滤光片起到带通滤光片的作用，其透射波长为900nm的IR光。然而，在日间拍摄的情况中，IR带通滤光片起到IR截止滤光片的作用，其截断除了900nm波长之外的任何其它的波长，从而IR带通滤光片能够使颜色特征的退化最小。
光源控制器120包括LED控制器121和LED驱动器122。LED控制器121在用户操纵或预设操纵模式的基础上产生用于控制IR LED打开和关闭的控制信号，并且将该控制信号发送至LED驱动器。LED驱动器通过该控制信号调整提供给IR LED的功率，并且确定是否发射光。
因而，当IR LED用作夜间拍摄的光源时，LED控制器优选地被配置为通过用于获得图像的外部控制信号来产生IR LED的打开信号。此外，当IR LED用作邻近度判别的光源时，LED驱动器优选地被配置为产生用于使IR LED在预定时间重复几次打开和关闭的控制信号。
在该实施方式中，用于邻近度判别的控制信号被优选地配置为使得IR LED能够重复约三至五次的打开和关闭，同时将IR LED的打开时间保持为0.1秒或更短。因而，更快速且更精确地测量传感器元件150的输出电压值之间的差值是可能的，该差值是由IR LED发射的IR光的存在与否造成的。
此外，在外部光源微弱的夜间拍摄模式中获得图像的情况中，通过采用从IR LED发射的光作为光源的光来获得物体130的图像。
此时，当在IR LED关闭之后的图像亮度小于基准值时，可选择夜间拍摄模式。因而，在由于图像传感器启动之后图像的亮度非常低(即，由于入射到邻近并交替地置于传感器元件150的电压检测部件151上的亮度传感器410a和410b的光的强度较低)而确定为夜间的情况中，IR LED被打开并用作光源。在该方式中，当IR LED用作夜间拍摄的光源时，根据图像传感器的波长与灵敏度曲线，IR LED被优选地选择为具有适当的波段，在该波段处没有人会感到闪烁。
IR带通滤光片200被配置为置于引导从物体反射的入射光的透镜与接收所引导的光的传感器元件之间，并且被配置为具有能够仅透射特定波段的IR光的一部分以及可见光的透射率。
图2是示出了根据本发明的实施方式的IR带通滤光片的透射率的图。参照图2，可见IR带通滤光片被配置为透射可见光区域(具体是从400nm至650nm的波段)的光以获得图像，截断颜色特征退化的IR区域，并且仅透射波长为900nm的IR光，该IR光是作为用于邻近度判别或夜间拍摄的照明的光源的光。
在该方式中，IR带通滤光片仅允许不与可见光区域的波长连续的IR区域的波长的IR光的一部分，从而IR带通滤光片能够使颜色特征的退化最小，并且能够将IR LED用作简单的光源和用作判别与物体的邻近度的光源。
传感器元件150包括电压感测部件151和图像感测部件152，电压感测部件151接收通过IR带通滤光片的光并且产生与所接收的光对应的输出电压，图像感测部件152获得通过IR带通滤光片进入的图像。
图3示出了根据本发明的实施方式被配置有亮度传感器和邻近度像素的电压感测部件的构造。
参照图3，电压感测部件151包括被交替地布置为彼此邻近的亮度传感器410a和410b以及以与该亮度传感器相同的方式布置的邻近度像素420a和420b。
优选地，亮度传感器410a和410b被均匀地布置为贯穿传感器元件从而能够容易地测量从透镜入射的光的亮度，并且用于判别与物体的邻近度的邻近度像素420a和420b也以与亮度传感器相同的方式布置。
在此，亮度传感器410a和410b是这样的传感器，其测量从物体反射、通过透镜并入射到亮度传感器上并且通常被设计为具有与人感受到的亮度曲线相同的光谱的光的亮度。此外，亮度传感器绕着图1示出的图像感测部件152布置，从而它们能够获得从物体反射的光的强度的平均值，并且从所反射的光的强度的平均值测量外部光的当前亮度。
邻近度像素420a和420b被配置为使得通过从IR LED发射、从物体130反射并入射到透镜140的特定波长的IR光产生输出电压值。因而，测量由于与物体130的邻近度引起的由从物体130反射的特定波长的入射IR光造成的输出电压值的变化是可能的。
在此，从IR LED发射用于判别邻近度的IR光的波长不限于900nm。如有必要，可使用波段为610nm至650nm的可见光或者与该波段不同的任何其它波段的IR光。在该情况中，IR带通滤光片应该被选择性地配置为具有仅透射相应波段的IR光并且截断其它波段的IR光的特性是显而易见的。
此外，可见光截止滤光片(未示出)被优选地设置在邻近度像素的一侧，从而截断通过透镜入射的可见光。在该方式中，通过在邻近度像素一侧提供可见光截止滤光片，可以防止可见光到达邻近度像素，并且计算由从物体反射的特定波段的IR光造成的输出电压值的差值，以改进邻近度判别的精确度。
邻近度判别单元210被配置为使得其一端被连接至传感器元件150的邻近度像素，以在由透射过IR带通滤光片并入射到邻近度像素上的特定波段的IR光造成输出电压值之间的差值的基础上，判别与物体的邻近度。
此时，邻近度判别单元210被配置为通过光源控制器的控制信号确认IR光是否是从IR LED发射，并且比较在特定波段的IR光发射之前由邻近度像素产生的输出电压值与在特定波段的IR光发射之后由邻近度像素产生的输出电压值，从而判别与物体的邻近度。在该情况中，邻近度像素420a和420b、被配置为光源的IR LED和邻近度判别单元210作为邻近度传感器。
图4是示出了根据本发明的实施方式、通过邻近像素的输出电压值的变化来判别与物体的邻近度的图表。
参考图4，V1表示当波长为900nm的IR LED打开时通过邻近度像素测得的输出电压值，其中光通过透镜入射到邻近度像素，而V2表示当波长为900nm的IR LED关闭时从邻近度像素输出的输出电压值。此外，ΔVd表示V1与V2之间的差值。
当IR LED关闭时从物体发射并因而入射到邻近像素的光的强度仅通过外部光的强度来确定。然而，当IR LED关闭时从物体反射并因而入射到邻近像素的光的强度通过外部光的强度与从IR LED发射的光的强度之和来确定。
因而，不考虑外部光，仅通过从IR LED和物体发射的光之间的关系，确定与在IR LED关闭的状态中邻近度像素的输出电压值V2与在IR LED打开的状态中邻近度像素的输出电压值V1之间的差值。此外，ΔVd的值依赖于物体与作为发射到物体的光的光源的IR LED之间的距离。
详细地，在IR LED距离相同的物体非常远的情况中，从IR LED发射、从物体反射并入射到邻近度像素的光的量非常小。然而，当IRLED逐渐向物体移动时，从IR LED发射、从物体反射并入射到邻近度像素的光的量增加，从而ΔVd的值增加。
因此，当ΔVd的值较大时，从IR LED发射的IR光较多地从物体反射并入射到邻近度像素，从而邻近度判别单元识别到物体与IRLED邻近。反之，当ΔVd的值较小时，从IR LED发射的IR光较少地从物体反射并入射到邻近度像素，从而邻近度判别单元识别到物体远离IR LED。
更具体地，ΔVd的值与物体的反射系数R成正比，与邻近度像素与物体之间的距离d的平方成反比。因而，当距离d非常大(长距离)时，邻近度像素的输出电压值几乎不显示打开IR LED的情况与关闭IR LED的情况之间的区别。反之，当距离d非常小(短距离)时，邻近度像素的输出电压值显示了打开IR LED的情况与关闭IRLED的情况之间的非常大的区别。通过找到输出电压值之间的该差值ΔVd，能够精确地计算出邻近度像素与物体之间的距离d。
此外，在实现方面，优选地，对IR LED的打开时间间隔Δt重复测量0.1秒或更短的时间三至五次，以更精确地计算邻近度像素与物体之间的距离d。
如上所述，通过使用发射特定波段(具体地，波长为900nm)的IR光的IR LED，以及对从光源发射、从物体反射并入射到透镜中的特定波段的光进行透射的IR带通滤光片，来计算由特定波段的光的存在与否造成的邻近度像素的输出电压值的变化，从而容易地判别与物体的邻近度。
此外，通过使用从IR LED发射的特定波段的光作为在夜间拍摄模式中的夜间拍摄情况中不刺激人眼的IR波段的光，使用相同的IRLED而不用分别提供用于夜间拍摄模式中的夜间拍摄的光源以及用于邻近度判别的光源，从而用于图像传感器的系统能够防止其体积的增大，并且容易地实现邻近度功能。
尽管本发明的示例性实施方式已经被描述为说明性目的，但是本领域技术人员理解，在不背离权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下可以进行各种修改、增加和删除。

Claims (7)

1.一种能够判别与物体的邻近度的图像传感器，包括：
光源，向所述物体发射特定波段的红外(IR)光；
光源控制器，具有产生控制所述光源打开和关闭的控制信号的发光二极管(LED)控制器和通过所述控制信号控制提供给所述光源的功率的LED驱动器；
IR带通滤光片，置于透镜与传感器元件之间，所述透镜将从所述物体反射的入射光透射至所述传感器元件，所述传感器元件接收所透射的光，所述IR带通滤光片仅透射具有特定波段的IR光的一部分和可见光；
所述传感器元件具有电压感测部件和图像感测部件，所述电压感测部件接收通过所述IR带通滤光片的光并产生与所接收的光对应的输出电压，所述图像感测部件获得通过所述IR带通滤光片进入的图像；以及
邻近度判别单元，其利用输出电压差来判别与所述物体的邻近度，所述输出电压差是由穿过具有特定波段的所述IR带通滤光片并入射到被提供给所述电压感测部件的邻近度像素上的IR光存在与否造成的。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其中，所述电压感测部件被配置为使亮度传感器与所述邻近度像素彼此接近并交替地绕着所述图像感测部件布置，所述亮度传感器测量由外部光造成的亮度，所述邻近度像素产生由穿过具有特定波段的所述IR带通滤光片的所述IR光引起的输出电压。
3.如权利要求2所述的图像传感器，其中，所述电压感测部件还包括被安装在所述邻近度像素一侧的可见光截止滤光片。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其中，所述邻近度判别单元被配置为对当所述光源关闭时所述邻近度像素的输出电压值与当所述光源打开时所述邻近度像素的输出电压值进行比较，并且当输出电压值之间的差值较大时识别到所述物体邻近于所述光源。
5.如权利要求2至4中的任一项所述的图像传感器，其中，所述光源包括发射波长为900nm的IR光的IR LED，所述IR带通滤光片被配置为具有对波长为900nm的IR光进行透射的特性的滤光片。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其中，当所述IR LED用作邻近度判别的光源时，所述光源控制器控制所述IR LED重复多次的预定时间的打开和关闭。
7.如权利要求5所述的图像传感器，其中，所述光源控制器控制所述IR LED重复大约三至五次的打开和关闭并将所述IR LED的打开时间保持为0.1秒或更短。
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