CN103674239B - 环境光侦测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环境光侦测装置与方法。装置包含至少一像素、一读取电路、以及一组合元件。本发明的方法为侦测环境光以取得多个较低分辨率的侦测曝光值，各侦测曝光值分别对应于不同的动态范围；以及组合该多个较低分辨率的侦测曝光值而产生一较高分辨率的曝光编码组合，以代表对环境光的侦测结果。

Description

环境光侦测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种环境光侦测装置与方法，特别是利用组合多个较低分辨率曝光以产生与高分辨率曝光同等或更佳效果的环境光侦测装置与方法。

背景技术

在众多形式的环境光侦测装置，例如环境光传感器(Ambient LightSensor)，常应用于户外例如街灯、广告牌等以及室内需求例如3C信息产品等，故环境光侦测装置需要高动态范围(High Dynamic Range)的分辨率，可兼顾低亮度环境(例如亮度为1Lux)以及强烈太阳光照射下(例如亮度为60,000Lux)的环境光侦测。传统的方式为利用16位模拟数字转换器(Analog to Digital Converter)进行讯号的动态范围取样，因16位方能满足高动态范围的分辨率需求。然而16位模拟数字转换器所需的面积较大，所耗电能也较高，技术复杂度也非常高。如何拥有与16位同等分辨率的动态范围侦测能力，却不需类似复杂电路的环境光侦测装置，成为产品开发重点之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种环境光侦测装置与方法。

为达上述目的，本发明提供了一种环境光侦测装置，其包含至少一像素、一读取电路、以及一组合元件。其中，像素可接受多次侦测曝光，而多次侦测曝光分别具有不同曝光时间以侦测不同的动态范围。读取电路可分别读取多次侦测曝光并产生对应的数字化编码。组合元件可组合多次侦测曝光的数字化编码并产生一曝光编码组合以代表对环境光的侦测结果，其中该曝光编码组合的分辨率高于该些侦测曝光各自的分辨率。

本发明的另一实施例中，提供了一种环境光侦测装置其可包括多个像素、一读取电路、以及一组合元件。多个像素分别产生至少一次侦测曝光，其中多个像素的感光面积可以不同、或是接受的曝光时间可以不同、或是以上两者可以组合，以侦测不同的动态范围。读取电路可分别读取侦测曝光并产生对应的数字化编码。组合元件可组合侦测曝光的数字化编码并产生一曝光编码组合以代表对环境光的侦测结果，其中该曝光编码组合的分辨率高于该些侦测曝光各自的分辨率。

根据本发明的一实施例，其侦测曝光中可具有一第一动态范围(Rx)的侦测曝光与一第二动态范围(Ry)的侦测曝光，第一动态范围的侦测曝光在其和第二动态范围相减的动态范围(Rx-Ry)对应的部分侦测曝光具有的分辨率高于该第一动态范围的其它部分侦测曝光的分辨率。

本发明的一实施例中，其中曝光编码组合中可具有至少一部分侦测曝光的对应数字化编码或其加权值；组合元件将其组合以获得具有较高分辨率的侦测效果。

本发明的一实施例中，其中侦测曝光的取样频率(Frame rate)可为600Hz或其倍数，并取样30次或其倍数后予以平均。

本发明的一实施例中，其中环境光侦测装置又可包含一遮光像素，前述像素接受侦测曝光所产生的曝光输出(EO)分别与遮光像素的曝光输出(ED)具有一相减结果(EO-ED)，读取电路可分别根据各相减结果(EO-ED)以产生数字化编码。

本发明的一实施例中，其中侦测曝光可具有多次第一阶段侦测曝光以及至少一次第二阶段侦测曝光，环境光侦测装置可利用第一阶段侦测曝光以决定环境光的目前动态范围，而像素根据该环境光的目前动态范围以产生第二阶段侦测曝光。

本发明也提供一种环境光侦测方法，包含：侦测环境光以取得多个较低分辨率的侦测曝光值，各侦测曝光值分别对应于不同的动态范围；以及组合该多个较低分辨率的侦测曝光值而产生一较高分辨率的曝光编码组合，以代表对环境光的侦测结果。

在以上方法的实施例中，该多个较低分辨率的侦测曝光值可通过多次侦测曝光而得、或通过对不同感光面积的像素进行曝光而得、或通过对不同的像素进行曝光而得、或通过以上方式组合而得。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示本发明一实施例的环境光侦测装置；

图2显示侦测曝光的数字化编码与动态范围；

图3显示本发明一实施例的侦测曝光与曝光编码组合的关系；

图4显示本发明另一实施例的侦测曝光与曝光编码组合的关系；

图5显示取样频率与输入电源的关系；

图6显示本发明另一实施例的环境光侦测装置；

图7显示本发明另一实施例的环境光侦测装置；

图8、9显示侦测曝光的时序安排的两个实施例。

图中符号说明

10、20、30环境光侦测装置

11、21、31a、31b、31c像素

12读取电路

13组合元件

D1、D2、D3数字化编码范围

E1、E2、E3侦测曝光

E21、E31部分侦测曝光

E211、E311加权部分侦测曝光

EC、EC1曝光编码组合

F  取样

PA：遮光像素

R1、R2、R3：动态范围

T1、T2、T3：曝光时间

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

参照图1，其中为本发明一实施例的环境光侦测装置10的示意图，其包含至少一像素11（像素11的实施不受限于图示的数量或大小）、一读取电路12、以及一组合元件13。本发明的第一实施例对像素11进行多次侦测曝光而产生对应的侦测曝光值（每次侦测曝光例如可为但不限于为多次取样，而侦测曝光值例如可为但不限于为多次取样后的平均值，容后说明）。

参考图2，其中横轴为动态范围，数值越大表示环境光亮度越高；纵轴为动态范围的对应数字化编码，例如采用9位时其数值为十进制的0~511，10位时其最大数值为十进制的0~1023等。本发明的数字化编码可采用较现有技术为低的位数；举例而言，现有技术中需要16位方能满足高动态范围的分辨率需求，则在此情况下，本发明可以使用例如9位、10位或其它位数的分辨率，故可不需要使用16位模拟数字转换器。图2以三次侦测曝光为例（实施时不受限于三次），其中，侦测曝光E1、E2、E3分别具有不同的曝光时间以侦测不同的动态范围R1、R2、R3。读取电路12分别读取侦测曝光E1、E2、E3并产生对应的数字化编码，表示侦测曝光值。在图示的本实施例中，E1、E2、E3所产生的数字化编码具有相同位数的分辨率，但此仅为举例，实施时不受此限，亦即E1、E2、E3所产生的数字化编码可具有不同的分辨率。组合元件组合侦测曝光E1、E2、E3的数字化编码并产生一曝光编码组合(图3、4，符号EC、EC1)，其组合方式容后举例说明。简言之，曝光编码组合代表对环境光的完整亮度范围进行侦测所得的结果。曝光编码组合经由对侦测曝光E1、E2、E3的组合而得，并非经由模拟数字转换而得，故曝光编码组合的分辨率可高于数字化编码的分辨率，可等于甚至可高于现有技术中的16位分辨率，但并不需要使用相对应位数的模拟数字转换器。

参照图2，其中举例显示对不同动态范围进行侦测曝光的安排方式。侦测曝光E1、E2、E3分别具有不同的曝光时间以侦测不同的动态范围R1、R2、R3。动态范围较大的区域，其对应的侦测曝光(例如E3)，采用较短的曝光时间。动态范围较小的区域，其对应的侦测曝光(例如E1)，采用较长的曝光时间。依此方式，根据侦测曝光E1、E2、E3产生的曝光编码组合，可以表示环境光的完整亮度范围。或从另一角度言之，本实施例对像素11进行三次侦测曝光，而曝光时间分别为短、中、长。当环境光的亮度极低时，长曝光时间的侦测曝光E1将会提供最佳信息，而短曝光时间的侦测曝光E3较不具意义；另一方面，当环境光的亮度极高时，短曝光时间的侦测曝光E3将会提供最佳信息，而长曝光时间的侦测曝光E1较不具意义。因此，适当地转换侦测曝光E1、E2、E3而产生对应的数字化编码，并将这些数字化编码适当地组合，就可产生曝光编码组合而以高精密度来表示环境光的完整亮度范围。

将任一侦测曝光E1、E2、E3转换产生对应的数字化编码，可采用各种方式，其中将动态范围平均区隔来编码是最直觉的方式，但此并非必须（例如在分辨率为9位而最大亮度为65535Lux的场合，E3的数字化编码级距不必须使0对应于0~127Lux,1对应于128~255Lux,2对应于256~383Lux…511对应于65407~65535Lux等）。在较佳实施例中，对于一较大动态范围R3的侦测曝光E3以及一次大动态范围R2的侦测曝光E2，可安排使较大动态范围的侦测曝光E3在其与次大动态范围E2相减的动态范围内(R3-R2)内的部分侦测曝光E31具有较佳的分辨率，而部分侦测曝光E31其所对应的数字化编码范围D3为一较佳分辨率编码范围（亦即，E3的数字化编码可在(R3-R2)区间内采用较低的级距，而在R2以下区间采用较高的级距）。同理可推，图示中侦测曝光E2对应的动态范围(R2-R1)的部分侦测曝光E21具有较佳的分辨率，部分侦测曝光E21其所对应的数字化编码范围D2也为一较佳分辨率编码范围。

曝光编码组合可以为侦测曝光E1、E2、E3或其部分侦测曝光的组合，并可予以加权，其组合方式可依需要来设计（例如可视环境光侦测装置10的主要应用场所与最常见的环境光亮度范围而定），以具有最佳分辨率的曝光组合效果。举例而言，如图3所示，曝光编码组合EC为组合侦测曝光E1、部分侦测曝光E21、E31而成一连续函数的特性。曝光编码组合EC的数字化编码范围则为D1+D2+D3，其中D1代表侦侧曝光E1的数字化编码，而曝光编码组合EC的动态范围为R3。图4显示另一实施例，部分侦测曝光E21、E31的数字化编码范围D2、D3乘以一加权值，以分别产生加权部分侦测曝光E211、E311，并组合侦测曝光E1、加权部分侦测曝光E211、E311而产生曝光编码组合EC 1，此曝光编码组合EC1具有连续的函数特性。

参照图5，其中显示取样频率与输入电源的图标说明，基于现有公共供电系统为50Hz或60Hz，一般交流电输入装置时会整流为100Hz或120Hz的供应电源，因此在本发明一较佳实施例中，可设定像素11曝光的取样频率(Frame Rate)为600Hz（100Hz和120Hz的最小公倍数）或其倍数的频率，并取30次曝光或其倍数后将亮度予以平均，产生侦测曝光(E1~E3，图示以E1为代表)。如此，取样频率需可兼顾100Hz或120Hz的供应电源而不至于产生闪烁(Flicker)现象。取样F可兼顾100Hz或120Hz的供应电源，而其中取样频率为示意目的，实施时可依实际需求而调整。例如，若已知产品应用环境的公共供电系统为50Hz，就可使取样频率为100Hz而不必为600Hz，且取样后也不必须平均。

又参照图1，其中环境光侦测装置10可又包含一遮光像素PA，像素11接受侦测曝光所产生的曝光输出(EO)分别与遮光像素的曝光输出(ED)具有一相减结果(EO-ED)，相减的目的为消除背景造成的噪声，例如热电流等。因此，相减结果代表单纯因侦测环境光而产生的输出，而读取电路分别读取各曝光输出的相减结果(EO-ED)并产生数字化编码。

此外，环境光侦测装置10可进行两阶段的侦测曝光，第一阶段的目的在判断环境光亮度的目前动态范围，而当已知环境光亮度的目前动态范围后，第二阶段的每次侦测即可单纯以该范围所对应的时间来对像素11进行单次曝光，而不再需要多次曝光，亦即环境光侦测装置10可具有多次第一阶段侦测曝光以及至少一次第二阶段侦测曝光。在第二阶段侦测曝光时，若发现环境光的亮度改变至范围外时，可再回到第一阶段再进行多次第一阶段侦测曝光以重新判断环境光亮度的目前动态范围。此外，亦可定时进行第一阶段侦测曝光来做亮度检查。

参照图6，其中显示本发明另一实施例的环境光侦测装置20。环境光侦测装置20包括多个像素21、一读取电路12、以及一组合元件13。其中，多个像素21分别具有不同感光面积以侦测不同的动态范围而产生对应的侦测曝光值。本发明的第一实施例是对像素11进行多次侦测曝光，本实施例则是使多个像素21分别具有不同感光面积，同样可达成侦测不同动态范围的目的。本实施例中，可仅对像素21进行单次侦测曝光，但当然亦可对像素21进行多次侦测曝光，亦即可组合第一实施例与本实施例，而在侦测曝光次数和像素感光面积上都予以变化。与第一实施例相似，读取电路分别读取侦测曝光并产生对应的数字化编码，表示侦测曝光值，而组合元件可用各种方式组合前述侦测曝光的数字化编码并产生一曝光编码组合(参照图3、4，符号EC、EC 1)。

又参照图6，其中环境光侦测装置可又包含一遮光像素PA，像素21接受侦测曝光所产生的曝光输出(EO 1)分别与遮光像素的曝光输出(ED1)具有一相减结果(EO1-ED1)，相减的目的为消除背景造成的噪声，例如热电流等。因此，相减结果代表单纯因侦测环境光而产生的输出，而读取电路分别读取各曝光输出的相减结果(EO1-ED1)并产生数字化编码。

此外，本实施例的环境光侦测装置20同样可进行两阶段的侦测曝光，第一阶段的目的在判断环境光亮度的目前动态范围，而当已知环境光亮度的目前动态范围后，第二阶段即可单纯以该范围所对应的感光面积的像素21来进行曝光，而不需要开启所有的像素21，以节省能耗。在第二阶段侦测曝光时，若发现环境光的亮度改变至范围外时，可再回到第一阶段开启不同感光面积的像素21以重新判断环境光亮度的目前动态范围。此外，亦可定时进行第一阶段侦测曝光来做亮度检查。

图7显示本发明的另一实施例；在本实施例中，环境光侦测装置30包括多个像素31a、31b、31c（图示三个仅为举例，实施时数目不受此限）、一读取电路12、以及一组合元件13。如图8所示，该多个像素31a、31b、31c分别接受不同的曝光时间T1、T2、T3以侦测不同的动态范围而产生对应的侦测曝光值。在图1的实施例中，是针对同一像素进行三次不同时间的侦测曝光，而本实施例则是针对不同像素分别进行不同时间的侦测曝光，相较之下，本实施例的优点是不同像素的曝光时间T1、T2、T3可以（但非必须）重叠，因此相对于图1的实施例，本实施例的曝光所需总时间较少，而第一实施例的优点则是曝光控制机制较为简单。

当然，第一实施例和本实施例可以互相组合，例如图9显示，可以使用两个像素31a、31b来达成三种（或更多种）不同时间的侦测曝光。

又，图6的实施例也可以和以上实施例互相组合，亦即在图8、9的实施例中，多个像素31a、31b、31c可以各为不同的尺寸大小，或部分像素为相同而其它像素为不同的尺寸大小。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。举例而言，在像素与读取电路中插入讯号取样元件等，皆符合本发明的特征。但本发明当然亦可应用于其它小型携带式电子装置上、或大尺寸的其它装置上。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (22)

1.一种环境光侦测装置，其特征在于，包含：

至少一像素，该像素接受多次侦测曝光，该些侦测曝光分别具有不同曝光时间以侦测不同的动态范围；

一读取电路，分别读取该些侦测曝光并产生对应的数字化编码；以及

一组合元件，组合该些侦测曝光的数字化编码并产生一曝光编码组合以代表对环境光的侦测结果，其中，该曝光编码组合的分辨率高于该些侦测曝光各自的分辨率。

2.如权利要求1所述的环境光侦测装置，其中，该些侦测曝光包含一第一动态范围的侦测曝光与一第二动态范围的侦测曝光，该第一动态范围的侦测曝光在其和第二动态范围相减的动态范围内所对应的部分侦测曝光具有的分辨率高于该第一动态范围的其它部分侦测曝光的分辨率。

3.如权利要求2所述的环境光侦测装置，其中，该曝光编码组合中至少包含该部分侦测曝光的对应数字化编码。

4.如权利要求2所述的环境光侦测装置，其中，该曝光编码组合中至少包含该部分侦测曝光的对应数字化编码的加权值。

5.如权利要求1所述的环境光侦测装置，其中，该些侦测曝光的取样频率为600Hz或其倍数的频率。

6.如权利要求1所述的环境光侦测装置，其中，该环境光侦测装置又包含一遮光像素，前述像素接受侦测曝光所产生的曝光输出分别与该遮光像素的曝光输出具有一相减结果，该读取电路分别根据该些相减结果产生前述数字化编码。

7.如权利要求1所述的环境光侦测装置，其中，该些侦测曝光包含多次第一阶段侦测曝光以及至少一次第二阶段侦测曝光，该环境光侦测装置利用该些第一阶段侦测曝光以决定环境光的目前动态范围，而该像素根据该环境光的目前动态范围以接受该第二阶段侦测曝光。

8.一种环境光侦测装置，其特征在于，包含：

多个像素，其分别接受至少一次侦测曝光，以分别侦测不同的动态范围；

一读取电路，分别读取该些侦测曝光并产生对应的数字化编码；以及

一组合元件，组合该些侦测曝光的数字化编码并产生一曝光编码组合以代表对环境光的侦测结果，其中，该曝光编码组合的分辨率高于该些侦测曝光各自的分辨率。

9.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该些像素分别具有不同的感光面积。

10.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该些像素分别接受不同的曝光时间。

11.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该些侦测曝光具有一第一动态范围的侦测曝光与一第二动态范围的侦测曝光，该第一动态范围的侦测曝光在其和第二动态范围相减的动态范围内所对应的部分侦测曝光具有的分辨率高于该第一动态范围的其它部分侦测曝光的分辨率。

12.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该曝光编码组合中至少包含该部分侦测曝光的对应数字化编码。

13.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该曝光编码组合中至少包含该部分侦测曝光的对应数字化编码的加权值。

14.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该些侦测曝光的取样频率为600Hz或其倍数的频率。

15.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该环境光侦测装置又包含一遮光像素，前述像素接受侦测曝光所产生的曝光输出分别与该遮光像素的曝光输出具有一相减结果，该读取电路分别根据该些相减结果产生该些数字化编码。

16.如权利要求8所述的环境光侦测装置，其中，该些侦测曝光包含多次第一阶段侦测曝光以及至少一次第二阶段侦测曝光，该环境光侦测装置利用该些第一阶段侦测曝光以决定环境光的目前动态范围，而该像素根据该环境光的目前动态范围以接受该第二阶段侦测曝光。

17.一种环境光侦测方法，其特征在于，包含：

侦测环境光以取得多个较低分辨率的侦测曝光值，各侦测曝光值分别对应于不同的动态范围；以及

组合该多个较低分辨率的侦测曝光值而产生一较高分辨率的曝光编码组合，以代表对环境光的侦测结果。

18.如权利要求17所述的环境光侦测方法，其中，该多个较低分辨率的侦测曝光值通过多个次侦测曝光而得。

19.如权利要求17所述的环境光侦测方法，其中，该多个较低分辨率的侦测曝光值通过对不同感光面积的像素进行曝光而得。

20.如权利要求17所述的环境光侦测方法，其中该多个较低分辨率的侦测曝光值通过对不同的像素进行曝光而得。

21.如权利要求17所述的环境光侦测方法，其中，每一侦测曝光值为以600Hz或其倍数的频率取样30次或其倍数后的平均值。

22.如权利要求17所述的环境光侦测方法，其中，还包含：获得对环境光的侦测结果后，决定最合适的较低分辨率动态范围，并以该较低分辨率来侦测环境光。