CN106797440A - 成像系统的操作偏置的自适应调整 - Google Patents

成像系统的操作偏置的自适应调整 Download PDF

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Abstract

一种成像系统，包括快门、光电检测器阵列和与光电检测器相关联以从光电检测器读取强度值的电子电路，该电子电路包括被配置为提供光电检测器的操作偏置点的元件。成像系统包括被配置为自适应地调整光电检测器的操作偏置的部件，诸如控制器，其中该调整至少部分地基于平场图像的间歇测量。在使用期间，成像系统可以被配置为基于间歇获取的平场图像的光电检测器值的变化来进行操作偏置的间歇调整。操作偏置的调整可以提供对由于包括但不限于温度变化的效应而产生的、光电检测器和/或电子器件随时间的漂移的补偿。

Description

成像系统的操作偏置的自适应调整
技术领域
本公开大体上涉及成像系统(诸如包括用于热成像系统的红外照相机的照相机)的操作偏置的自适应调整，并且特别地涉及用于调整光电检测器的操作偏置以补偿随时间的行为变化的系统和方法。
背景技术
高性能、低成本的非致冷红外成像设备(诸如测辐射热计焦平面阵列(FPA))的日益增加的可用性使得能够设计和生产大规模生产的、面向消费者的、能够进行高质量热成像的红外(IR)照相机。这种热成像传感器长期以来既昂贵又难以生产，因而将高性能、长波成像的使用限制到高价值仪器，诸如航空航天、军事或大规模商业应用。大规模生产的IR照相机可以具有与复杂的军事或工业系统不同的设计需求。对于诸如温度漂移的影响的图像校正的新方法对于低成本、大规模生产的系统可以是期望的。
发明内容
本文所述的示例性实施例具有创新特征，其中没有哪一特征是不可或缺的或仅负责其期望的属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将总结一些有利的特征。
成像系统的一些实施例包括快门、光电检测器的阵列和与光电检测器相关联以从光电检测器读取强度值的电子电路，该电子电路包括被配置为提供光电检测器的操作偏置点的元件。成像系统可以包括被配置为自适应地调整光电检测器的操作偏置的部件，诸如控制器，其中该调整至少部分地基于间歇地获取的平场场景的图像数据。在使用期间，成像系统可以被配置为基于所获取的平场图像的光电检测器值的改变来进行操作偏置的间歇调整。操作偏置的调整可以提供对由于包括但不限于温度改变的效应而产生的、光电检测器和/或电子器件随时间的漂移的补偿。
在第一方面，提供了一种用于对成像系统的光电检测器的操作偏置进行自适应调整的方法。成像系统包括快门、光电检测器的阵列和用于从光电检测器的阵列读出图像数据的检测器电子电路。该方法包括在第一时段期间通过快门闭合以遮蔽光电检测器的阵列来从光电检测器的阵列获取图像数据，图像数据包括像素值的阵列。该方法包括调整各个像素的操作偏置点，其中对于单独像素的调整后的操作偏置点被配置为调整通过快门闭合所获取的图像数据，使得来自单独像素的像素值在分配给参考偏置点的数据值周围的阈值范围内。该方法包括在第一时段之后的时间通过快门打开以暴露光电检测器的阵列来获取场景的图像数据，图像数据是使用调整后的操作偏置点获取的。该方法包括在第一时段之后的第二时段期间通过快门闭合以遮蔽光电检测器的阵列来从光电检测器的阵列获取图像数据，图像数据包括像素值的阵列。该方法包括对于具有在阈值范围之外的像素值的各个像素重新调整操作偏置点，其中对于单独像素的重新调整后的操作偏置点被配置为调整通过快门闭合所获取的图像数据，使得来自单独像素的像素值在分配给参考偏置点的数据值周围的阈值范围内。该方法包括在第二时段之后的时间通过快门打开以暴露光电检测器的阵列来获取场景的图像数据，其中图像数据是使用重新调整后的操作偏置点获取的。
在第一方面的一些实施例中，该方法还包括重复以下步骤：通过快门闭合来获取图像数据、重新调整各个像素的操作偏置点，以及使用重新调整后的操作偏置点通过快门打开来获取图像数据。在第一方面的一些实施例中，该方法还包括将图像数据转换为数字图像数据。
在第一方面的一些实施例中，调整操作偏置点包括调整电阻器数模转换器(“RDAC”)网络中的至少一个部件，使得最精细的调整级别对应于RDAC网络中一个最低有效位的改变。在另一实施例中，重新调整操作偏置点包括调整RDAC，使得通过快门闭合所获取的图像数据接近分配给参考偏置点的数据值。在另一实施例中，该方法还包括调整RDAC，使得通过快门闭合所获取的图像数据接近分配给参考偏置点的数据值，其中高于阈值范围的图像数据被减小至小于分配给参考偏置点的数据值并且低于阈值范围的图像数据被调整为大于分配给参考偏置点的数据值，使得使用调整后的RDAC设置所获取的像素值与分配给参考偏置点的数据值的差值在RDAC网络中的最低有效位的一半之内。
在第二方面，提供了一种成像系统，其包括包含红外焦平面阵列的成像阵列，该红外焦平面阵列包括微测辐射热计的阵列，焦平面阵列的每个像素包括微测辐射热计光电检测器。成像系统还包括检测器电路，该检测器电路具有正电压轨；负电压轨；至少一个可变电阻器网络；积分器，其具有电耦合到微测辐射热计的输出的信号输入端、电耦合到积分器偏置电压源的参考输入端、及输出端；以及模数转换器，其电耦合到积分器的输出端并且被配置为输出对应于积分器的输出信号的数字数据。成像系统还包括快门，被配置为在闭合位置遮蔽成像阵列并且在打开位置暴露成像阵列。成像系统还包括系统控制器，被配置为调整可变电阻器网络，以使用在快门处于闭合位置时所获取的图像数据来设置检测器电路的操作偏置。单独的微测辐射热计电耦合到正电压轨、负电压轨、至少一个可变电阻器网络和积分器。系统控制器被配置为调整和重新调整各个光电检测器的操作偏置，使得像素值在包括参考偏置水平的目标阈值内，参考偏置水平对应于当通过快门闭合获取图像数据时积分器输出值的模数转换的目标数字输出值。
在第二方面的一些实施例中，至少一个可变电阻器网络包括电阻器数模转换器(“RDAC”)网络，使得最精细的调整级别对应于RDAC网络中的一个最低有效位的改变。在另一实施例中，系统控制器被配置为通过设置至少一个可变电阻器网络的每个元件以将通过快门闭合所获取的图像数据调整成更接近参考偏置水平来确定各个光电检测器的初始操作偏置点。在另一实施例中，系统控制器被配置为通过仅调整RDAC网络以使得通过快门闭合所获取的图像数据更接近参考偏置水平来重新调整操作偏置点。在又一个实施例中，系统控制器还被配置为调整RDAC网络，以使对于各个像素通过快门闭合所获取的图像数据更接近参考偏置水平，其中高于阈值范围的图像数据被减小至小于参考偏置水平，并且低于阈值范围的图像数据被调整至大于参考偏置水平。在另一实施例中，在快门闭合的多个时间点处，成像系统控制器被配置为获取图像数据的多个帧，并基于先前的RDAC设置和当前RDAC设置来分析所获取的图像数据的帧。在又一实施例中，系统控制器被配置为确定图像数据的多个帧的平均值。
在第二方面的一些实施例中，成像系统是热成像系统，并且通过快门闭合所获取的图像数据包括在快门温度基本均匀的温度场景。在另一实施例中，成像系统包括红外照相机核心。
附图说明
结合附图参考以下详细描述来描述本文提供的实施例的各方面和优点。贯穿所有附图，附图标记可以被重用，以指示所引用的元件之间的对应性。提供附图是为了说明本文所述的示例实施例，而不意图限制本公开的范围。
图1A示出了示例成像系统的功能框图。
图1B示出了图1A中所示的示例成像系统的功能框图，其中成像系统的功能在照相机和移动电子设备之间划分。
图2A和图2B示出了红外照相机核心的示例实施例。
图3A和图3B示出了成像系统中的快门的示例性一般操作。
图4A至图4C示出了用于成像系统中的光电检测器的示例电路的电示意图。
图5A和图5B示出被配置为调整成像系统中的光电检测器的操作偏置的校准过程的示例结果。
图6示出了用于随时间漂移的平场图像的像素值的示例。
图7示出了调整操作偏置以补偿随时间漂移的像素值的示例。
图8示出了用于基于所获取的平场图像来调整成像系统中的光电检测器的操作偏置的示例方法的流程图。
具体实施方式
大体而言，本公开的方面涉及使用平场图像数据(例如，在快门闭合时所获取的图像数据)来调整成像系统的成像阵列中的光电检测器的操作偏置。例如，这可以进行，以对于随时间漂移的光电检测器值进行调整。本公开包括调整操作偏置以应对(account for)输出用于以下这样的平场图像的值的光电检测器的系统和方法：其中平场图像至少部分地由于在成像阵列处的温度改变而随时间改变。为了应对这些改变的值，本文公开的系统和方法在多个时间获取平场数据，以确定各个光电检测器响应是否已漂移到目标范围之外。如果单独光电检测器值已漂移到目标范围之外，则成像系统可以调整其操作偏置，使得其输出在目标范围内。因而，在一些实施例中，这些系统和方法可以通过调整成像系统的硬件部件来补偿随时间改变的光电检测器响应。有利地，这可以允许成像系统在使用期间间歇地监视和调整光电检测器对平场图像数据的响应。这些调整可以例如确保光电检测器的操作范围或动态范围保持在可接受的或目标范围内。
虽然，为了说明，本文描述的示例和实现集中在使用具有微测辐射热计的焦平面阵列的红外照相机核心中的实现，但是本文公开的系统和方法可以在使用各种图像传感器获取可见光的数字照相机和/或摄像机中实现。类似地，本文所述的成像系统可以使用不同的快门系统来实现。现在将关于某些示例和实施例来描述本公开的各方面，这些示例和实施例意图说明而不是限制本公开。
本文所述的一些实施例提供对光电检测器的操作偏置的自适应调整，以补偿成像电路中光电检测器的响应中的漂移，其中漂移可以至少部分地由于温度随时间的变化而引起。有利地，所公开的自适应调整方法可以应用到硬件部件，诸如电子电路，以补偿在使用期间光电检测器输出的变化。
本文所述的一些实施例在成像系统中系统控制器的控制下提供对操作偏置的持续自适应调整。有利地，成像系统可以使用系统控制器对成像阵列内的各个光电检测器应用调整。类似地，成像系统可以使用不同的电路部件对成像阵列中的行或列以及对光电检测器的整个阵列应用调整。
本文所述的一些实施例获取平场场景(例如，通过闭合快门所获取的图像)的间歇图像帧，以确定单独光电检测器操作偏置的调整。有利地，这允许成像系统在使用期间监视和校正各个光电检测器响应随时间的漂移。成像系统可以被配置为相对快速地获取平场图像，以减少或最小化对正常或典型图像获取的中断。成像系统可以被配置为获取在获取之间具有相对长时段的平场图像，以减少或最小化对正常或典型图像获取的中断。
本文所述的一些实施例包括将通过操作偏置调整获取的先前图像帧和通过操作偏置调整获取的当前图像帧递送到系统控制器，以用于漂移趋势预测，这种预测例如结合非均匀性校正使用。在某些实现中，在第一时间获取的图像帧可以与在比第一时间晚的第二时间获取的图像帧进行比较，并且系统控制器可以被配置为确定各个光电检测器的漂移量和/或确定作为时间的函数的偏移的趋势，其中在第一时间和第二时间获取的图像帧对操作偏置使用相同的设置。系统控制器可以被配置为接收在多个时间获取的图像帧，以确定漂移趋势预测，其中系统控制器接收关于与接收到的图像帧相关联的操作偏置设置的信息。
所公开的用于操作偏置的自适应调整的方法可以被实现为可以是编程的计算机方法或数字逻辑方法的模块，并且可以使用各种模拟和/或数字分立电路部件(晶体管、电阻器、电容器、电感器、二极管等)、可编程逻辑、微处理器、微控制器、专用集成电路或其它电路元件的任意组合来实现。被配置为存储计算机程序或计算机可执行指令的存储器可以与分立电路部件一起实现，以执行本文所述的方法中的一个或多个。在某些实现中，所公开的方法可以结合照相机核心上的焦平面阵列(FPA)来实现，其中执行所公开的方法的处理器和存储器部件可以在与照相机核心相配合的设备上，诸如包括智能手机、平板电脑、个人计算机等的移动设备。在一些实现中，成像系统的处理和存储器元件可以在作为照相机系统的核心的一部分的可编程逻辑或板上处理器中。在一些实施例中，图像帧获取和操作偏置调整可以在照相机核心上的处理元件上实现，并且进一步的图像处理和显示可以通过与核心相配合的系统控制器来实现。
作为由所公开的系统和方法提供的一些优点的特定示例，成像系统可以包括被配置为获取场景的图像的焦平面阵列(FPA)。FPA可以包括N个检测器的二维阵列，FPA被配置为输出场景的二维图像。为了成像，图像帧(通常是来自检测器Nf中的全部或一些的数据)由FPA产生，每个连续的帧包含在连续的时间窗口中捕获的来自阵列的数据。因而，由FPA递送的数据帧包括Nf个数字字，每个字表示图像中的特定像素P。这些数字字通常具有由模数转换(A/D)过程确定的长度。例如，如果像素数据用14位A/D转换，则像素字的长度可以是14位，并且每个字可以有16384个计数。对于用作热成像系统的IR照相机，这些字可以对应于由阵列中的每个像素测量的辐射强度。在特定的示例中，对于测辐射热计IR FPA，每个像素的强度通常对应于被成像的场景的对应部分的温度，较低的值对应于较冷的区域，而较高的值对应于较热的区域。可以期望在视觉显示器上显示这种数据。
FPA中的每个像素可以包括响应于检测到的辐射而生成相对小的信号的辐射检测器，诸如在红外成像阵列中。这些信号与FPA中从不是由入射辐射引起的源产生的信号或信号水平、或者非图像信号相比，可以相对小，其中这些非图像信号与FPA的材料、结构和/或部件相关。例如，FPA中的像素可以包括在读出集成电路(ROIC)上的包括电阻器网络、晶体管和电容器的接口电路，其可以直接接口到检测器的阵列。例如，微测辐射热计检测器阵列、微电子机械系统(MEMS)设备可以使用MEMS工艺来制造。但是，相关联的ROIC可以使用电子电路技术来制造。这两个部件可以组合在一起，以形成FPA。与响应于检测器上的入射辐射而产生的信号相比，接口电路系统和检测器的组合本身可以具有相对大的偏移和温度行为。因而，常常期望在显示或以其它方式处理图像数据之前补偿与图像信号无关的这些效应。
示例成像系统
图1A示出了成像系统100的功能框图，成像系统100包括诸如焦平面阵列102的图像传感器、预处理模块104、非均匀性校正模块106、滤波器模块108、热成像模块110、直方图均衡模块112、显示处理模块114和显示器116。焦平面阵列102可以输出强度数据(例如，图像、热图像等)的帧序列。每个帧可以包括像素值的阵列，每个像素值表示由焦平面阵列102上的对应像素检测的光强度。像素值可以作为串行数字数据流从焦平面阵列102中读出。在一些实施例中，像素值是使用处理焦平面阵列102的整行或整列的读出电子器件从焦平面阵列102读出的。数据流的格式可以被配置为符合期望的、标准或预定义的格式。数字数据流可以被显示(诸如由显示器116)为二维图像。
在一些实施例中，焦平面阵列102可以是与读出集成电路(“ROIC”)集成的微测辐射热计的阵列。微测辐射热计的阵列可以被配置为响应于热辐射或温度的量而生成电信号。ROIC可以包括缓冲器、积分器、模数转换器、定时部件等，以从微测辐射热计的阵列读取电信号并输出数字信号(例如，被分成图像帧的14位串行数据)。与焦平面阵列102相关联的系统和方法的附加示例在于2014年5月30日提交的题为“Data Digitization and Displayfor an Imaging System”的美国专利申请No.14/292,124中公开，其全部内容通过引用被结合于此。
焦平面阵列102可以具有校准或与其相关联的其它监视信息(例如，校准数据103)，这些信息可以在图像处理期间被使用，以生成优质图像。例如，校准数据103可以包括存储在数据储存器中并由成像系统100中的模块检索(retrieve)的坏像素图和/或增益表，以校正和/或调整由焦平面阵列102提供的像素值。校准数据103可以包括增益表。如本文所述，焦平面阵列102可以包括具有集成的读出电子器件的多个像素。读出电子器件可以具有与其相关联的增益，其中该增益可以与电子器件中的电容器的跨阻抗成比例。在一些实现中可以采取像素增益表的形式的这个增益值可以由成像系统100的图像处理模块使用。成像系统100的校准数据的附加示例在于2014年8月20日提交的题为“Gain Calibration fora Imaging System”的美国临时申请No.62/039,579中提供，其全部内容通过引用被结合于此。校准数据103可以存储在成像系统100上或存储在另一系统上的数据储存器中，以在图像处理期间检索。
成像系统100包括被配置为处理来自焦平面阵列102的图像数据的一个或多个模块。在不背离所公开的实施例的范围的情况下，成像系统100的模块中的一个或多个可以被消除。描述以下模块是为了说明可用于所公开的成像系统的功能的广度，而不是指示任何单独的模块或所述的功能是需求的、关键的、不可缺少的或需要的。
成像系统100包括预处理模块104。预处理模块104可以被配置为从焦平面阵列102接收数字数据流并进行预处理功能。这样的功能的示例包括帧平均、高级帧宽度滤波等。预处理模块104可以输出用于其它模块的串行数字数据。
作为示例，预处理模块104可以包括被配置为实现积分和平均技术的条件求和功能，以增大图像数据中的表观信噪比。例如，条件求和功能可以被配置为组合数字化图像数据的连续帧，以形成数字积分图像。这种数字积分图像也可以被求平均，以减少图像数据中的噪声。条件求和功能可以被配置为对来自焦平面阵列102的每个像素将来自连续帧的值求和。例如，条件求和功能可以对来自四个连续帧的每个像素的值求和，然后对那个值求平均。在一些实现中，条件求和功能可以被配置为从连续帧中选择最佳或优选帧，而不是对连续帧求和。这些技术和附加实施例的示例在于2014年5月30日提交的题为“DataDigitization and Display for an Imaging System”的美国专利申请No.14/292,124中公开，其全部内容通过引用被结合于此。
作为另一个示例，预处理模块104可以包括被配置为确定和/或调整焦平面阵列102的操作偏置点的自适应电阻器数模转换器(“RDAC”)功能。例如，对于包括快门的成像系统，成像系统100可以被配置为调整焦平面阵列102中的检测器的操作偏置点。自适应RDAC功能可以实现自适应操作偏置校正方法，该方法至少部分地基于平场图像(例如，通过快门闭合所获取的图像)的间歇测量。自适应RDAC功能可以至少部分地基于测得的或检测到的、平场图像随时间的漂移来实现操作偏置的持续调整。由自适应RDAC功能提供的操作偏置调整可以对由于诸如温度改变之类的效应而导致的光电检测器和电子器件随时间的漂移提供补偿。在一些实施例中，自适应RDAC功能包括可以被调整以使测得的平场数据更接近参考偏置水平的RDAC网络。与调整操作偏置相关的系统和方法的附加示例在本文参考图2A-8更详细地描述。
在预处理模块104之后，其它处理模块可以被配置为进行一系列逐像素或像素组处理步骤。例如，图像处理系统100包括非均匀性校正模块106，该模块被配置为针对不是图像场景本身的一部分而是传感器的伪影的增益和偏移效应而调整像素数据。例如，非均匀性校正模块106可以被配置为接收数字数据流并且针对焦平面阵列102中的非均匀性而校正像素值。在一些成像系统中，这些校正可以通过间歇地在焦平面阵列102上方闭合快门而得出，以获取均匀的场景数据。根据这种获取的均匀场景数据，非均匀性校正模块106可以被配置为确定与均匀性的偏离。非均匀性校正模块106可以被配置为基于这些确定的偏离来调整像素数据。在一些成像系统中，非均匀性校正模块106使用其它技术来确定焦平面阵列中与均匀性的偏离。这些技术中的一些可以在不使用快门的情况下实现。用于非均匀性校正的系统和方法的附加示例在于2015年8月4日提交的题为“Time Based OffsetCorrection for Imaging Systems”的美国专利申请No.14/817,847中描述，其全部内容通过引用被结合于此。
在预处理模块104之后，成像系统100可以包括被配置为从预处理模块104接收数字数据流(例如，14位串行数据)的高/低Cint信号处理功能。高/低Cint功能可以被配置为通过应用增益表(例如，如在校准数据103中提供的)来处理数字数据流。高/低Cint功能可以被配置为使用高/低积分部件的输出来处理数字数据流。这种高/低积分部件可以与和焦平面阵列102相关联的ROIC集成。高/低积分部件的示例在于2014年5月30日提交的题为“DataDigitization and Display for an Imaging System”的美国专利申请No.14/292,124中描述，其全部内容通过引用被结合于此。
图像处理系统100包括滤波器模块108，该模块被配置为应用一个或多个时间和/或空间滤波器以解决其它图像质量问题。例如，焦平面阵列的读出集成电路可以将伪影(诸如行和/或列之间的变化)引入图像。滤波器模块108可以被配置为校正这些基于行或列的伪影，如在于2015年5月1日提交的题为“Compact Row Column Noise Filter for anImaging System”的美国专利申请No.14/702,548中更详细地描述的，该申请的全部内容通过引用被结合于此。滤波器模块108可以被配置为进行校正，以减少或消除图像中的坏像素的影响、增强图像数据中的边缘、抑制图像数据中的边缘、调整梯度、抑制图像数据中的峰值，等等。
例如，滤波器模块108可以包括坏像素功能，该功能被配置为提供焦平面阵列102上不生成可靠数据的像素的图。这些像素可以被忽略或丢弃。在一些实施例中，来自坏像素的数据被丢弃并且用从邻近、相邻和/或附近像素得出的数据替代。得出的数据可以基于插值、平滑、平均等。
作为另一示例，滤波器模块108可以包括热梯度功能，该功能被配置为基于图像数据中存在但不是由成像系统100成像的场景的一部分的热梯度来调整像素值。热梯度功能可以被配置为使用局部平面场景数据来得出数据，以通过校正在成像系统100中产生的热梯度来改善图像质量。确定对于热梯度功能的校正的示例在于2014年12月2日提交的题为“Image Adjustment Based on Locally Flat Scenes”的美国临时申请No.62/086,305中更详细地描述，该申请的全部内容通过引用被结合于此。
滤波器模块108可以包括被配置为调整异常像素值的峰值限制功能。例如，峰值限制功能可以被配置为将异常像素值钳位到阈值。
滤波器模块108可以被配置为包括自适应低通滤波器和/或高通滤波器。在一些实施例中，成像系统100应用自适应低通滤波器或高通滤波器，但不是两者都用。自适应低通滤波器可以被配置为确定像素数据内有可能像素不是边缘类型图像成分(component)的一部分的位置。在这些位置中，自适应低通滤波器可以被配置为用平滑的像素数据替换像素数据(例如，用相邻像素的平均值或中值替换像素值)。这可以有效地减少图像中这些位置的噪声。高通滤波器可以被配置为通过产生边缘增强因子来增强边缘，其中，为了边缘增强，边缘增强因子可以被用来选择性地增大或减小像素数据。自适应低通滤波器和高通滤波器的附加示例在于2015年8月4日提交的题为“Local Contrast Adjustment forDigital Images”的美国专利申请No.14/817,989中描述，该申请的全部内容通过引用被结合于此。
滤波器模块108可以被配置为对图像数据应用可选的滤波器。例如，可选的滤波器可以包括但不限于均值滤波器、中值滤波器、平滑滤波器等。可选的滤波器可以打开或关闭，以对图像数据提供目标或期望的效果。
图像处理系统100包括被配置为将强度转换为温度的热成像模块110。光强度可以对应于在成像系统100的视场中来自场景和/或来自物体的光的强度。热成像模块110可以被配置为将测得的光强度转换为对应于在成像系统100的视场中的场景和/或物体的温度。热成像模块110可以接收校准数据(例如，校准数据103)作为输入。热成像模块110还可以使用原始图像数据(例如，来自预处理模块104的像素数据)和/或滤波后的数据(例如，来自滤波器模块108的像素数据)作为输入。热成像模块和方法的示例在于2014年8月28日提交的题为“Image Display and Thermography for a Thermal Imaging Camera”的美国临时申请No.62/043,005中提供，该申请的全部内容通过引用被结合于此。
图像处理系统100包括直方图均衡模块112或其它显示转换模块，这些模块被配置为准备用于在显示器116上显示的图像数据。在一些成像系统中，来自焦平面阵列102的像素值的数字分辨率可以超过显示器116的数字分辨率。直方图均衡模块112可以被配置为调整像素值，以使图像或图像的一部分的高分辨率值与显示器116的较低分辨率匹配。直方图模块112可以被配置为以避免在图像中有少量数据或没有数据的部分上使用显示器116的有限显示范围的方式来调整图像的像素值。当成像系统100的用户在显示器116上观看使用成像系统100获取的图像时，这对于该用户可以是有利的，因为它可以减少未被使用的显示范围的量。例如，显示器116可以具有数字亮度标度，其对于红外图像对应于温度，其中较高强度指示较高温度。但是，显示器亮度标度(例如灰度级)通常是比像素采样字短得多的数字字。例如，像素数据的采样字可以是14位，而显示范围(诸如灰度级)通常可以是8位。所以，为了显示，直方图均衡模块112可以被配置为压缩更高分辨率的图像数据，以适合显示器116的显示范围。可以由直方图均衡模块112实现的算法和方法的示例在于2014年5月30日提交的题为“Data Digitization and Display for an Imaging System”的美国专利申请No.14/292,124中公开，该申请的全部内容通过引用被结合于此。
成像系统100包括显示处理模块114，该模块被配置为通过例如选择颜色表以将温度和/或像素值转换为彩色显示器上的颜色来准备用于在显示器116上显示的像素数据。作为示例，显示处理模块可以包括着色器查找表，其被配置为将像素数据和/或温度数据转换为用于在显示器116上显示的彩色图像。着色器查找表可以被配置为至少部分地依赖于给定场景的温度与阈值温度的关系而使用不同的颜色显示查找表显示热成像场景的不同温度。例如，当显示场景的热图像时，可以依赖于它们与输入温度的关系而使用不同的查找表显示场景的各种温度。在一些实施例中，高于、低于或等于输入温度值的温度可以使用颜色查找表来显示，而其它温度可以使用灰度级查找表来显示。相应地，着色器查找表可以被配置为依赖于场景内的温度范围结合用户偏好或选择来应用不同的着色查找表。由显示处理模块提供的功能的另外示例在于2014年9月12日提交的题为“Selective Color Displayof a Thermal Image”的美国临时申请No.62/049,880中描述，该申请的全部内容通过引用被结合于此。
显示器116可以被配置为显示处理后的图像数据。显示器116还可以被配置为接受输入，以与图像数据交互和/或控制成像系统100。例如，显示器116可以是触摸屏显示器。
成像系统100可以作为独立设备提供，诸如热传感器。例如，成像系统100可以包括成像系统外壳，该成像系统外壳被配置为封住成像系统100的硬件部件(例如，焦平面阵列102、读出电子器件、微处理器、数据储存器、现场可编程门阵列和其它电子部件等)。成像系统外壳可以被配置为支撑被配置为将光(例如，红外光、可见光等)引导到图像传感器102上的光学器件。外壳可以包括一个或多个连接器，以提供从成像系统100到一个或多个外部系统的数据连接。外壳可以包括一个或多个用户界面部件，以允许用户与成像系统100交互和/或控制成像系统100。用户界面部件可以包括例如但不限于触摸屏、按钮、触发器(toggle)、开关、键盘等等。
在一些实施例中，成像系统100可以是多个成像系统的网络的一部分。在这样的实施例中，成像系统可以一起联网到一个或多个控制器。
图1B示出了图1A中所示的示例成像系统100的功能框图，其中成像系统100的功能在照相机或传感器140和移动电子设备150之间划分。通过在不同系统或设备之间划分图像获取、预处理、信号处理和显示功能，与在板上执行这些功能中的大多数或全部的成像系统相比，照相机140可以被配置为相对低功率、相对紧凑和相对计算高效。如图1B中所示，照相机140被配置为包括焦平面阵列102和预处理模块104。在一些实施例中，被示为移动电子设备150的一部分的模块中的一个或多个可以包括在照相机140中，而不是在移动电子设备150中。在一些实施例中，某些优点至少部分地基于照相机140和移动电子设备150之间的功能划分来实现。例如，一些预处理功能可以使用专用硬件(例如，现场可编程门阵列、专用集成电路等)与软件的组合在照相机140上高效地实现，否则这些功能在移动电子设备150上的实现将会更加计算昂贵或劳动密集。从而，本文公开的实施例中的至少一些的一方面包括认识到，通过选择哪些功能要在照相机140上(例如，在预处理模块104中)进行以及哪些功能要在移动电子设备150上(例如，在热成像模块110中)进行，可以实现某些优点。
照相机140的输出可以是表示由预处理模块104提供的像素值的数字数据流。数据可以使用电子连接器(例如，微型USB连接器、专有连接器等)、电缆(例如，USB电缆、以太网电缆、同轴电缆等)和/或无线地(例如，使用蓝牙、近场通信、Wi-Fi等)被发送到移动电子设备150。移动电子设备150可以是智能手机、平板、膝上型计算机或其它类似的便携式电子设备。在一些实施例中，电力通过电连接器和/或电缆从移动电子设备150向照相机140递送。
成像系统100可以被配置为充分利用移动电子设备150的计算能力、数据存储和/或电池电力来为照相机140提供图像处理能力、电力、图像存储等。通过将这些功能从照相机140卸载到移动电子设备150，照相机可以具有成本有效的设计。例如，照相机140可以被配置为消耗相对少的电力(例如，降低与提供电力相关联的成本)，相对少的计算能力(例如，降低与提供强大处理器相关联的成本)和/或相对少的数据存储(例如，降低与在照相机140上提供数字存储相关联的成本)。这可以至少部分地由于照相机140被配置为提供相对少的计算能力、数据存储和/或电力而降低与制造照相机140相关联的成本，因为成像系统100充分利用移动电子设备150的优越性能来进行图像处理、数据存储等。
被配置为获取平场图像的示例成像系统
图2A和2B示出了示例性照相机核心，照相机核心200被部分地组装(如图2A中所示)并且照相机核心210是完全组装的核心。焦平面阵列(FPA)201在核心200上相对于快门202放置，使得快门202可以被致动，以暴露和遮蔽FPA 201。各种接口电子器件可以是照相机核心200的一部分或者是与核心200配合的控制器的一部分。
图3A和3B示出了示例快门202和示例FPA 201，其中快门202暴露FPA 201(在图3A中示出)以及遮蔽FPA 201(在图3B中示出)。当快门202遮蔽FPA 201时，可以说快门202闭合。在闭合位置，快门202可以被配置为覆盖FPA 201的整个视场。除了移动快门标志之外，用于将FPA 201选择性地暴露于平场场景的布置是可能的。例如，可以旋转反射镜(mirror)，以将FPA 201暴露于平坦的场景。作为另一示例，可以在不透明和透明状态之间交替以选择性地曝光和遮蔽FPA 201的电光单元。如本文所使用的，打开快门和闭合快门应当分别理解为包括将FPA 201暴露于图像场景和将FPA 201暴露于平场场景。在闭合位置，图像数据可以由FPA 201获取。通过快门202闭合所获取的这种图像数据可以与用于可见光成像系统或致冷红外成像系统的暗视场的平场图像等同或相似。对于非致冷IR成像器，通过快门202闭合所获取的图像可以等同于在快门202的温度下的平场图像。
平场场景和图像可以被用来确定对成像系统中像素的操作偏置或参考偏置水平、不同增益和/或暗电流的漂移的补偿因子，和/或校正成像系统中的非均匀性。一般而言，平场场景通常可以指为成像传感器提供的基本均匀的场景。平场场景可以被用来确定用于成像阵列中的光电检测器的目标参考偏置水平。类似地，平场图像通常可以指平场场景的图像数据。暗平场场景或暗平场图像，或类似地暗场景或视场的平场图像，通常可以指基本上没有光的平场场景。暗视场的平场可以用在可见光成像系统和/或致冷红外成像系统中，以确定成像阵列中像素中的暗电流(例如，没有光入射到像素上的情况下像素中的电流或信号)。对于非致冷红外成像器，快门202可以辐射具有对应于快门202的温度的强度的红外光。因而，通过对于非致冷红外成像器，快门202闭合，通过快门202闭合所获取的图像通常不是暗视场的平场图像，而是具有对应于快门202的温度的入射光强度的平场图像。平场图像可以用来通过确定平场图像数据中的光电检测器值和/或逐像素的变化来确定参考偏置水平和/或非均匀性。理想地，平场图像中的像素应当具有近似相同的值。类似地，暗视场的平场图像可以用来确定像素暗电流，因为在没有入射辐射的情况下，理想地，像素强度值应当基本上等于0。可以对光电检测器的操作偏置进行调整，以使测得的平场数据更接近参考偏置水平。在某些实现中，参考偏置水平对于成像系统中的所有光电检测器可以是相同的。结果，具有调整后的操作偏置的光电检测器可以通过快门打开获取图像数据，得出的图像数据固有地补偿光电检测器之间的差异和/或对于漂移参考偏置水平进行校正。
如本文所述，非图像信号可以显著地对从一些成像阵列中的像素读出的信号有贡献。这些非图像信号可以与成像阵列的温度相关。对于非致冷红外成像器，在某些实现中，通过快门202处于关闭位置所获取的图像可以被近似为具有对应于快门202的温度的强度的平场图像。使用这些平场图像确定的校正因子(诸如像素偏移值)因而至少部分地由于快门202的温度与FPA 201的温度类似地表现而涵盖成像阵列的温度。例如，快门202的温度的改变追踪FPA 201的温度的改变。因而，在非致冷红外成像器中使用通过快门202闭合而获取的平场图像允许以类似于场景图像的方式(例如，通过快门202打开所获取的图像)来确定受温度影响的调整。
为了确定操作偏置调整，可以通过快门202闭合获取图像数据的帧(或多个帧)。从每个像素获取的图像数据可以由系统控制器用来调整操作偏置，以改善通过快门202打开所获取的图像数据的帧的质量。通过快门202闭合所获取的图像数据可以提供被用来以逐像素为基础校正或补偿成像阵列中的漂移和偏移效应的信息。通常，基于快门的数据校正在红外成像器中使用，其中，与偏置电压、像素信号漂移和/或逐像素的非均匀性相比，依赖于检测到的辐射的信号常常较小。本文公开的系统和方法还可以有益于对光谱的可见部分中的光灵敏的成像系统，诸如在光度测量或低光应用中使用的那些成像系统。
调整操作偏置的示例
图4A-4C示出了用于成像系统中的光电检测器的示例电路的电示意图。如图所示，示意图被限制为用于具有微测辐射热计的示例FPA的光电检测器(例如，像素)的电路的一部分。示意图还被限制为该电路包括与设置操作偏置和控制相关的元件，而可以存在于成像系统中的其它电路未示出或讨论。应当注意，其它检测器类型和使用微测辐射热计的其它实现可以使用其它电路设计。但是，所公开的系统和方法可以在用于各种成像应用的许多类型的FPA上实现。
参考图4A，电路包括电耦合到向成像阵列提供电压的电压轨的光电检测器403(例如，微测辐射热计)。该电路包括可调整的电压设置元件405、406，这些元件可以被配置为为每个光电检测器403唯一地设置，以建立光电检测器403的操作偏置。出于多种原因，这样的布置可以是有益的。例如，光电检测器对辐射的响应度、信噪比等可以依赖于光电检测器两端的电压，并且可以跨成像阵列从光电检测器到光电检测器变化以及从成像阵列到成像阵列变化。因而，能够全局地和局部地调整光电检测器的操作偏置可以是有利的。
作为另一示例，至少部分地依赖于成像系统中的其余电子器件的特性，逐像素的操作范围的微调可以是有利的。例如，可以对于各个光电检测器配置操作偏置，使得每个光电检测器响应于平场场景而输出相似的信号。如图4A-4C的示意图中所示，从光电检测器403输出的信号可以受电路元件的影响，以将测辐射热计的改变的电阻转换为例如输出电压和/或输出数字值(例如，在模数转换之后)。调整这样的光电检测器的操作偏置可以包括调整电部件的电压和/或电阻，使得对于平场图像的信号输出在参考偏置水平的目标范围内。有利地，这可以调整光电检测器响应，使得所有光电检测器的操作范围相似。例如，在光电检测器403耦合到n位模数(“ADC”)转换器(例如，14位ADC具有16384个计数)的情况下，将参考偏置水平设置为ADC计数的目标数量RB(例如，大约3000个计数)可以意味着成像系统中的光电检测器对于大于平场信号的信号具有大约2n-RB个计数可用以及对于小于平场信号的信号具有大约RB个计数可用。
在操作中，调整操作偏置可以有利地减少光电检测器将具有失控响应的机会。例如，光电检测器的特性可以随时间改变，使得光电检测器对类似的辐射输入水平的响应将随时间增加。如果不检查，则这可以减小光电检测器的操作范围。因而，调整光电检测器的操作偏置可以补偿这种行为，使得光电检测器的操作范围保持在目标区内。类似地，调整光电检测器的操作偏置可以提供增加光电检测器行为跨成像阵列和/或跨多个成像阵列的均匀性的方式。这可以有利地提供跨多个成像系统具有相似操作特性的方式。以这种方式，由不同用户在不同设置中使用的照相机可以彼此类似地表现。
参考图4A，光电检测器403连接到积分器404，积分器404的输出408是表示入射到光电检测器403上的辐射强度的强度的信号。积分器404本身可以被积分器偏置电压407，Vint，偏置。积分器偏置电压对于使用非致冷IR FPA的成像系统可以特别有用，因为平场图像(例如，通过快门闭合而获取的图像)不对应于暗平场图像(例如，其不是零辐射信号)，因为它可以用于被配置为检测可见光的成像系统。例如，快门可以处于成像系统的温度，并且场景的所获取的后续图像可以包括比快门冷和比快门热的区域。因而，用于平场数据的积分器偏置电压可以有利地被设置为不为零的值。例如，积分器偏置电压407可以被配置为使得，当光电检测器403暴露于平场图像时，积分器404的输出信号408可以在目标参考偏置输出内。在一些实施例中，这个参考偏置输出可以是目标参考偏置电压。在一些实施例中，这个参考偏置输出可以是ADC计数的数量。
图4B示出了用于成像系统中的光电检测器的另一示例电路的电示意图。在这个实施例中，电示意图包括电阻器的网络，其被配置为向成像阵列中的各个光电检测器提供定制的(tailored)操作偏置。该电路包括可以对于成像阵列中的所有光电检测器全局设置的全局偏置元件409(例如，诸如电阻器网络的可变电阻器)。全局偏置元件409可以被用作用于成像阵列的操作偏置的总体粗调。该电路包括可以耦合到成像阵列的列或行中的光电检测器的聚焦偏置元件406(例如，诸如电阻器网络的可变电阻器)。聚焦偏置元件406可以被用作对相关列或行中的光电检测器的操作偏置的更有针对性的调整。该电路包括可以与特定光电检测器403相关联的精细偏置元件410(例如，诸如电阻器网络的可变电阻器)。精细偏置元件410可以被用作用于单独光电检测器403的操作偏置的微调。因而，偏置元件406、409和410可以组合使用，以便为成像阵列中的每个光电检测器设置定制的操作偏置。在一些实施例中，可以在初始校准期间设置全局偏置元件409和聚焦偏置元件406，以一般地将成像阵列中的光电检测器的输出偏置为接近参考偏置输出。此后，可以以每像素为基础调整精细偏置元件410，以将各个光电检测器403的输出调整为在暴露于平场场景时在参考偏置输出的目标范围内。
该电路包括可以被用作控制成像阵列中的电流的元件的晶体管411和413。输入端412可以是被配置为接收来自其它相关电路的信号的位置，诸如被配置为向光电检测器电路提供参考信号的镜像(mirror)电路。未示出的是可以被用来选择性地将光电检测器耦合到成像系统的电系统的各种开关，诸如当每个光电检测器被询问时。例如，光电检测器403、精细偏置元件410和晶体管411可以被配置为与成像阵列的单独像素相关联，而其它元件(诸如其它偏置元件406、409和积分器404)可以被配置为与特定的列或行相关联，这些元件被切换成耦合到单独光电检测器403，在那个特定光电检测器被读出时。
图4C示出了用于图4B的电示意图的另外部件。输出信号408被递送到模数转换器414，以将像素数据转换为数字数据。数字数据可以被递送到处理元件415，诸如系统控制器。用于单独光电检测器403的操作偏置的精细控制可以由精细控制元件410a提供。精细控制元件410a可以由处理元件415控制。控制操作偏置的元件(例如，偏置元件406、409、410和/或精细控制元件410a)可以以各种配置实现。例如，偏置元件406、409和410可以被实现为可以在处理元件415的控制下配置的电阻器网络。在某些实现中，偏置元件406、409、410中的一个或多个可以通过使用从处理元件415发送到特定偏置元件的数字字以数字方式进行控制。
作为特别的示例，为了说明，精细控制元件410a(在某些实现中，其可以是电阻器数模转换器(“RDAC”))可以被配置为7位电阻器网络，其中最低有效位(“LSB”)等同于大约1kΩ，因而允许将RDAC设置为在大约1kΩ到大约128kΩ之间的值，以大约1kΩ为增量。聚焦偏置元件406可以是4位电阻器网络，其中LSB等同于大约4kΩ。全局偏置元件409可以被配置为从几个值(诸如大约25kΩ、大约50kΩ和大约75kΩ)中选择。偏置元件可以例如在处理元件415的控制下通过开关来调整。因而，在这个说明性实施例中，整个偏置网络具有在几十千欧姆范围内的电阻，其中用于各个光电检测器的电阻以大约1kΩ的增量微调。在具有微测辐射热计的成像阵列的一些实现中，光电检测器可以在室温下具有几十千欧姆数量级的电阻。在这种配置中，光电检测器电路的总电阻可以在大约100kΩ的数量级。通过大约1kΩ的微调控制，可以以大约1％的分辨率控制光电检测器403两端的操作偏置电压，由此为成像阵列中的每个光电检测器提供操作偏置的有效控制。
示例校准过程
光电检测器的制造工艺中的变化可以导致逐像素的性能变化(例如，在来自具有类似入射辐射的各个光电检测器的输出信号中的变化)。读出电子器件中的电部件的变化也可以有助于性能变化。对于许多光电检测器，包括微测辐射热计，响应度的这样的变化可以通过单独配置每个检测器的操作偏置(例如，操作电压偏置点)来减小。有利地，本文公开的偏置调整系统和方法可以被用来通过确定用于各个光电检测器的适当或目标操作偏置并配置可调偏置元件以实现确定的操作偏置来减小由光电检测器的差异以及电路的变化引起的变化。这些公开的系统和方法还可以有利地结合在成像阵列被用于成像之前的某个点进行的校准过程来使用，以使得响应度跨成像阵列更均匀。校准过程参考图5A和5B来描述，这些图示出了校准过程的示例结果。
在校准过程中，可以进行一系列步骤，以调整偏置元件，来实现被配置为补偿各种电路元件中的逐像素变化的定制操作偏置。例如，电路的各种元件的配置可以被定制，以实现在成像检测器不活动的情况下基本上均匀的操作，诸如为这些校准步骤而将检测器短路。例如，可以设置全局偏置元件409和聚焦偏置元件406，使得当光电检测器短路时光电检测器输出接近目标值。在某些实现中，电路中除RDAC之外的各种元件可以在检测器不活动的情况下被调整。
在这个时候，可以进行包括设置偏置元件(例如，电阻器网络、RDAC等)的逐像素部分的校准过程。检测器可以被切换为活动的，并且可以对平场场景进行成像。场景可以是处于闭合位置的快门，或者可替代地场景可以是通常在红外测试系统中使用的类型的受控温度场景(例如，扩展的可控黑体源)。对于查看快门的非致冷FPA的情况，均匀的场景处于室温，或者对于测试设置校准，场景可以处于在成像系统的期望操作温度范围的中点周围的预定或定制温度。因为随后的实际成像场景可以包括比室温热和冷的区域两者，所以将校准温度基线响应(例如，像素值)设置在电路范围和/或模数转换器范围的中间某处可以是有益的。例如，对于图4C的说明性电路，方便的中点可以是积分器偏置电压407。
以示例的方式，特定的实施例可以具有大约1.2V的积分器偏置电压407Vint，并且模数转换器414可以具有14位(或16384个计数)的范围。对于这样的配置，当光电检测器403在室温下暴露于平场场景时，积分器404的输出408可以被配置为基本上等于对应于模数转换器414的大约3000个计数的目标参考偏置电压Vref。精细偏置元件410可以被调整，直到输出408产生目标结果。这对应于调整光电检测器403的操作偏置。将目标输出设置为小于可用ADC范围的一半可以是有利的，因为，为了后续的场景成像，通常在室温的热侧比在其冷侧期望更大的动态范围。
参考图5B，基于跨成像阵列的平场响应来调整偏置元件可以被用来将各个光电检测器或像素的信号输出减小到在参考偏置电压Vref的范围Δ内。这可以通过调整每个偏置元件直到每个像素在范围Δ内来实现。在某些实现中，可以对偏置元件进行调整，以将逐像素的变化减小到在范围Δ内，其中范围Δ可以大于或等于等同于系统中可用的最精细调整的变化。例如，系统可用的最精细调整可以对应于RDAC中的最低有效位(“LSB”)。在本文所述的说明性示例中，这可以对应于由于由RDAC值的1kΩ改变引起的偏置移位产生的信号变化。
示例自适应调整过程
成像系统作为整体的校准可以在初始设置和测试期间完成，或者对于具有快门和偏置元件的数字控制的系统在任何时间完成，诸如本文参考图4C所描述的实现。本文参考图5A和图5B描述的校准过程可以减少成像阵列的初始变化，但是对于一些成像阵列类型(诸如具有微测辐射热计的FPAS)，响应可以随时间和环境温度的变化而漂移。此外，相关联的响应漂移也可以跨阵列是不均匀的。在一些情况下，漂移特性可能没有足够大以需要(warrant)成像系统的完全重新校准，但是可能足够大以不利地影响图像质量。
因而，在成像系统的操作期间对逐像素的操作偏置的持续自适应重新调整可以是有益的。参考图6，在第一时间t1，快门可以对多个图像帧闭合(例如，可以获取多个平场图像)。像素Pn最初可以例如至少部分地由于初始校准过程而接近参考偏置电压Vref。阈值Vth hi和Vth lo可以被设置为使得，当单独像素的平场响应在阈值内时，在通过快门打开而成像期间的图像质量是可接受的。在稍后的时间t2，快门可以再次闭合，并且可以获取平场场景的多个帧。至少部分地由于外部环境中和成像系统内的温度改变以及有可能由于其它基于时间的效应，一些像素的平场响应可以改变得大到足以超出阈值。
图7示出了调整操作偏置以补偿随时间漂移的像素值的示例。如图所示，在快门闭合时段t2期间，可以调整偏置元件，以使像素响应回到阈值内。参考本文参考图4A-4C描述的示例实施例，调整精细偏置元件410(例如，精细控制元件410a、RDAC等)可以足以完成操作偏置的适当调整，而不需要对检测器电路的另外的可调参数重复校准过程。因而，在某些实现中，精细偏置元件410(例如，RDAC)可以是被调整以便调整各个像素的操作偏置的唯一元件。这可以允许快速完成操作偏置的重新调整，其中对成像系统的影响(诸如错过图像帧)很小或没有。这个过程可以在成像系统的使用期间间歇地进行。例如，可以在稍后的时间t3期间调整操作偏置。在一些实施例中，操作偏置在快门闭合时段期间被多次调整，进行调整直到光电检测器的信号输出在目标范围内(例如，在Vth lo和Vth hi之间)。
在某些实现中，操作偏置可以被调整，以使光电检测器响应相对于漂移的方向移动到目标范围的中点的相对侧。这可以有利地进行，以至少部分地补偿漂移的趋势。例如，如图7中所示，在时间t3期间，像素P3可以被调整为小于参考偏置电压Vref，以补偿使其超过Vth hi的漂移。对于一些情况，过补偿可以小，例如在中点上方或下方的、RDAC的1/2LSB。由于RDAC被调整至少一个LSB，因而阈值周围的过补偿范围可以对应于RDAC的±1/2LSB。阈值范围可以被配置为超过对应于RDAC中的一个LSB的变化的、输出信号中变化的大小。
如果操作偏置的重新调整可以仅用RDAC来完成，则该过程可以是快速的。例如，已经观察到，对于示例性照相机核心，一旦照相机已经热稳定，漂移就减慢，并且闭合快门和重新调整可以每几秒或甚至几分钟实现一次，以实现可接受的或合适的结果。检查阈值和改变RDAC值的过程可以在快门闭合时期间使用几个图像帧的时间来完成，对于在5至60Hz帧速率范围内操作的照相机，这可以意味着每几分钟少至一秒的片段(fraction)来执行本文所公开的自适应和动态偏置调整。
在一些实施例中，多个帧可以被获取并一起求平均来产生单个数据帧，以减少噪声。这可以是条件求和/平均，诸如在于2014年5月30日提交的题为“Data Digitizationand Display for an Imaging System”的美国专利申请No.14/292,124中所描述的，该申请的全部内容通过引用被结合于此。在一些实施例中，可以对图像数据进行进一步的信号处理，诸如在于2015年8月4日提交的标题为“Local Contrast Adjustment for DigitalImages”的美国专利申请No.14/817,989中描述的曲线拟合，该申请的全部内容通过引用被结合于此。对于一些后续处理(诸如曲线拟合)，所使用的数据限制为用相同RDAC设置获取的数据。因而，可以期望在重新调整操作偏置之前和之后都递送图像帧，使得后续处理元件具有来自先前RDAC设置的数据以及来自当前调整的设置的数据。例如，曲线拟合过程可以将数据点限制为使用光电检测器的完全相同的操作偏置(例如，RDAC设置)获取的数据点。
图8示出了用于基于所获取的平场图像调整成像系统中光电检测器的操作偏置的示例方法800的流程图。方法800可以使用成像系统或图像处理系统中的一个或多个硬件部件来实现。为了便于描述，方法800将被描述为由本文参考图1A和图1B描述的成像系统100进行。但是，方法800的步骤中的一个或多个可以由成像系统100中的任何模块或模块的组合来进行。类似地，任何单独步骤可以由成像系统100中的模块的组合来进行。
在方框805中，成像系统在第一时段t1期间通过快门遮蔽成像阵列来从成像阵列获取图像数据。图像数据可以对应于一个或多个平场图像，平场图像包括由成像阵列中的光电检测器提供的平场强度数据。平场图像可以对应于在基本均匀的温度的场景，诸如对于红外成像系统而言。在某些实现中，平场图像可以对应于室温下快门的图像。
在方框810中，成像系统调整各个光电检测器的操作偏置点，以使对应于平场强度数据的信号输出处于被分配为参考偏置点的数据值的阈值范围内。调整操作偏置点可以包括例如调整与特定光电检测器相关联的电阻器网络的电阻。例如，系统控制器可以将RDAC调整一个或多个计数来增加或减小RDAC的电阻。这可以有效地更改积分器电路的输入端处的电压，其中电压轨被用来在成像阵列中的光电检测器两端施加电压。其它偏置元件也可以被调整。例如，全局和/或聚焦偏置元件可以被调整。例如，全局偏置元件可以是影响施加到成像阵列中的所有光电检测器的电压的元件。聚焦偏置元件可以是影响施加到成像阵列中的所有光电检测器的子集(例如，成像阵列的列或行中的所有光电检测器)的电压的元件。在一些实施例中，调整单独光电检测器的操作偏置包括调整精细偏置元件而不调整全局或聚焦偏置元件。
在方框815中，成像系统打开快门并获取场景的至少一个图像帧，其中光电检测器在调整后的操作偏置点操作。成像系统可以使用关于操作偏置点的信息来确定与所获取的场景数据相关联的物理参数。例如，在红外照相机中，操作偏置点可以被用来执行热成像，以确定场景内的物体的温度。
在方框820中，成像系统在第一时段之后的第二时段期间以及在获取场景的至少一个图像帧之后通过快门遮蔽成像阵列而从成像阵列获取图像数据。在方框825中，成像系统确定所测得的来自第二时间的平场强度数据值是否已漂移到参考偏置点周围的阈值范围之外。如果单独光电检测器已漂移到阈值范围之外，则在方框830中，成像系统调整单独像素的操作偏置点，以将像素数据值调整为更接近参考偏置水平并且在阈值范围内。
应当注意，方框820、825和830中的过程可以在第二时段t2期间迭代地进行。例如，第一平场图像可以在第二时段期间获取，光电检测器的输出信号可以与阈值范围进行比较，并且操作偏置点可以被调整。第二平场图像可以在第二时段期间获取，光电检测器的输出信号可以与阈值范围进行比较，并且，如果一个或多个光电检测器在阈值范围之外，则可以进一步调整操作偏置点。这个过程可以重复，直到所有或几乎所有光电检测器都具有在对于平场图像的阈值范围内的信号输出。
在方框835中，成像系统在重新调整的操作点处获取场景图像数据的后续帧。成像系统可以使用关于重新调整的操作偏置点的信息来更新与所获取的场景数据相关联的物理参数的计算。
依赖于实施例，本文所述的任何算法的某些动作、事件或功能可以以不同的顺序进行，可以被添加、合并或完全省略(例如，并非所有描述的动作或事件对于算法的实践都是必需的)。而且，在某些实施例中，动作或事件可以同时地而不是顺序地进行，例如，通过多线程处理、中断处理或多个处理器或处理器核心或者在其它并行的架构上。
结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑方框、模块和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件，或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面已经就其功能一般性地描述了各种说明性部件、方框、模块和步骤。这样的功能被实现为硬件还是软件依赖于特定应用和对整个系统施加的设计约束。所描述的功能可以对于每个特定应用以不同的方式实现，但是这样的实现决策不应当被解释为导致背离本公开的范围。
结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑方框和模块可以由机器来实现或进行，诸如被设计为执行本文所述的功能的、配置有特定指令的处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门(discrete gate)或晶体管逻辑、分立硬件部件，或其任何组合。处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是控制器、微控制器或状态机、其组合，等等。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核心，或任何其它这样的配置。例如，本文所述的LUT可以使用分立存储器芯片、微处理器中的存储器的一部分、闪存、EPROM或其它类型的存储器来实现。
结合本文公开的实施例描述的方法、过程或算法的元素可以直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或者在两者的组合中体现。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM或本领域已知的任何其它形式的计算机可读存储介质中。示例性存储介质可以耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。在替代方案中，存储介质可以集成到处理器。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。软件模块可以包括使硬件处理器执行计算机可执行指令的计算机可执行指令。
除非另有明确说明或在所使用的上下文中另有理解，否则本文使用的条件语言，诸如尤其是“能够”、“可以”、“可能”、“例如”等，通常意图传达某些实施例包括，而其它实施例不包括，某些特征、元件和/或状态。因而，这样的条件语言通常不意图暗示特征、元件和/或状态以任何方式对于一个或多个实施例是需要的，或者一个或多个实施例需要包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或状态是否被包括在或将在任何特定实施例中执行的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”、“涉及”等是同义的并且以开放式的方式包含地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等。而且，术语“或”在其包括的含义上(而不是在其排他的含义上)被使用，使得当例如被用来连接元素列表时，术语“或”表示列表中的元素的一个、一些或全部。
除非另有特别说明，否则诸如短语“X、Y或Z中的至少一个”之类的分离语言应当与上下文一起理解为通常用于表示(present)项、术语等可以是X、Y或Z或其任意组合(例如，X、Y和/或Z)。因而，这种分离语言通常不意图，并且不应当，暗示某些实施例需要至少一个X、至少一个Y或至少一个Z各自存在。
术语“大约”或“近似”等是同义的并且被用来指示由该术语修饰的值具有与其相关联的理解范围，其中该范围可以是±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。术语“基本上”被用来指示结果(例如，测量值)接近目标值，其中接近可以意味着例如结果在该值的80％内、在该值的90％内、在该值的95％内，或在该值的99％内。
除非另有明确说明，否则诸如“一个”的冠词通常应当被解释为包括一个或多个所描述的项。从而，诸如“被配置为…的设备”的短语意图包括一个或多个所述设备。这样的一个或多个所述设备还可以被共同地配置为执行所述陈述。例如，“被配置为执行陈述A、B和C的处理器”可以包括与被配置为执行陈述B和C的第二处理器结合工作的被配置为执行陈述A的第一处理器。
虽然上面的详细描述已经示出、描述和指出了应用到示例性实施例的新颖特征，但是应当理解，在不背离本公开的精神的情况下，可以对所示的设备或算法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。如将认识到的，本文所述的某些实施例可以以没有提供本文所阐述的所有特征和益处的形式体现，因为一些特征可以与其它特征分开使用或实践。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变都将被涵盖在其范围内。

Claims (15)

1.一种用于对成像系统的光电检测器的操作偏置进行自适应调整的方法，成像系统包括快门、光电检测器的阵列和用于从光电检测器的阵列读出图像数据的检测器电子电路，该方法包括：
在第一时段期间通过快门闭合以遮蔽光电检测器的阵列来从光电检测器的阵列获取图像数据，该图像数据包括像素值的阵列；
调整各个像素的操作偏置点，其中单独像素的调整后的操作偏置点被配置为调整通过快门闭合所获取的图像数据，使得来自单独像素的像素值在分配给参考偏置点的数据值周围的阈值范围内；
在第一时段之后的时间通过快门打开以暴露光电检测器的阵列来获取场景的图像数据，该图像数据是使用调整后的操作偏置点获取的；
在第一时段之后的第二时段期间通过快门闭合以遮蔽光电检测器的阵列来从光电检测器的阵列获取图像数据，该图像数据包括像素值的阵列；
对于具有在阈值范围之外的像素值的各个像素重新调整操作偏置点，其中单独像素的重新调整后的操作偏置点被配置为调整通过快门闭合所获取的图像数据，使得来自单独像素的像素值在分配给参考偏置点的数据值周围的阈值范围内；及
在第二时段之后的时间，通过快门打开以暴露光电检测器的阵列来获取场景的图像数据，其中该图像数据是使用重新调整后的操作偏置点获取的。
2.如权利要求1所述的方法，还包括重复以下步骤：
通过快门闭合来获取图像数据；
重新调整各个像素的操作偏置点；及
使用重新调整后的操作偏置点通过快门打开来获取图像数据。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括将图像数据转换为数字图像数据。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中调整操作偏置点包括调整电阻器数模转换器(RDAC)网络中的至少一个部件，使得最精细的调整级别对应于RDAC网络中一个最低有效位的改变。
5.如权利要求4所述的方法，其中重新调整操作偏置点包括调整RDAC，使得通过快门闭合所获取的图像数据接近分配给参考偏置点的数据值。
6.如权利要求4或5所述的方法，还包括调整RDAC，使得通过快门闭合所获取的图像数据接近分配给参考偏置点的数据值，其中高于阈值范围的图像数据被减小至小于分配给参考偏置点的数据值并且低于阈值范围的图像数据被调整为大于分配给参考偏置点的数据值，使得使用调整后的RDAC设置所获取的像素值与分配给参考偏置点的数据值的差值在RDAC网络中的最低有效位的一半之内。
7.一种成像系统，包括：
成像阵列，包括红外焦平面阵列，该红外焦平面阵列包括微测辐射热计的阵列，焦平面阵列的每个像素包括微测辐射热计光电检测器；
检测器电路，包括：
正电压轨；
负电压轨；
至少一个可变电阻器网络；
积分器，包括电耦合到微测辐射热计的输出的信号输入端、
电耦合到积分器偏置电压源的参考输入端、及输出端；及
模数转换器，电耦合到积分器的输出端并且被配置为输出对应于积分器的输出信号的数字数据；
快门，被配置为在闭合位置遮蔽成像阵列并且在打开位置暴露成像阵列；及
系统控制器，被配置为调整可变电阻器网络，以使用在快门处于闭合位置时所获取的图像数据来设置检测器电路的操作偏置；
其中单独微测辐射热计电耦合到正电压轨、负电压轨、至少一个可变电阻器网络、及积分器，
系统控制器被配置为调整和重新调整各个光电检测器的操作偏置，使得像素值在包括参考偏置水平的目标阈值内，参考偏置水平对应于当通过快门闭合获取图像数据时积分器输出值的模数转换的目标数字输出值。
8.如权利要求7所述的成像系统，其中至少一个可变电阻器网络包括电阻器数模转换器(RDAC)网络，使得最精细的调整级别对应于RDAC网络中的一个最低有效位的改变。
9.如权利要求7或8所述的成像系统，其中系统控制器被配置为通过设置至少一个可变电阻器网络的每个元件而将通过快门闭合所获取的图像数据调整成更接近参考偏置水平来确定各个光电检测器的初始操作偏置点。
10.如权利要求7至9中的任一项所述的成像系统，其中系统控制器被配置为通过仅调整RDAC网络以使得通过快门闭合所获取的图像数据更接近参考偏置水平来重新调整操作偏置点。
11.如权利要求10所述的成像系统，其中系统控制器还被配置为调整RDAC网络，以使对于各个像素通过快门闭合所获取的图像数据更接近参考偏置水平，其中高于阈值范围的图像数据被减小至小于参考偏置水平，并且低于阈值范围的图像数据被调整至大于参考偏置水平。
12.如权利要求7至11中的任一项所述的成像系统，其中，在快门闭合的多个时间点处，系统控制器被配置为：
获取图像数据的多个帧；及
基于先前的RDAC设置和当前的RDAC设置，分析所获取的图像数据的帧。
13.如权利要求12所述的成像系统，其中系统控制器被配置为确定图像数据的多个帧的平均值。
14.如权利要求7至13中的任一项所述的成像系统，其中成像系统是热成像系统，并且通过快门闭合所获取的图像数据包括在快门温度处基本均匀的温度场景。
15.如权利要求14所述的成像系统，其中成像系统包括红外照相机核心。
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