CN1280739A - 传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种传感器系统(800),用于生成与过滤后的场景图像相对应的传感器信号(Sout),系统(800)包括:一多元件阵列(526);相关的处理电路,用于响应图像被投射到所述阵列上而提供元件信号;以及,一投射透镜组件(502),它用于将图像投射到阵列(526)上。透镜组件(502)将不同模糊度的场景图像投射到阵列(526)上,以便在测定步骤中生成一测定信号并在校准步骤中生成一局部空间平均信号。用光漫射快门(522)来生成不同模糊度的图像。系统(800)从信号中减去各元件的测定和校正信号,以提供一差值信号并在测定步骤中用该信号生成传感器信号(Sout)。根据阵列温度或入射光强的变化来重复校准步骤,从而,尽管环境有所变化但也能减低传感器信号(Sout)中的固定图形噪声,并且,仅偶尔地中断测定步骤。

Description

传感器系统
本发明涉及用于传感来自场景的射线的传感器系统。本发明还涉及一种传感这种射线的方法。
射线传感器系统在先有技术中是周知的。这些系统例如在便携式摄像机和数字像机以及在紧急无线电通讯业务所使用的热成像器中有广泛的应用。
典型的系统采用一传感器，该传感器包括两维阵列的元件，每一维都带有相关的信号处理电路。来自场景的射线投射到所述阵列上，其中，每个元件都按等式[1]所给出的那样通过具有输出Sk的相关处理电路来进行响应，这里，下标k用于唯一地标识元件，即Sk是来自第k个元件电路的输出。输出Sk包括不希望有的赝象，这些赝象源于场景本身或者是在相关元件或处理电路中产生的：Sk=Ak(Rfk，Rpedk)+Bk+Nk
等式1
其中
Sk=通过相关处理电路产生自第k个元件的输出；
Ak=第k个元件的灵敏度函数；
Rfk=在第k个元件处接收到的来自场景的特征信息或场景对比射线；
Rpedk=在第k个元件处接收到的来自场景的背景射线；
Bk=在第k个元件及其相关处理电路内生成的偏移信号；
Nk=在第k个元件及其相关处理电路内生成的噪音信号。
来自各元件的输出Sk组合起来提供传感器信号。
上述包括相关电路的传感器可以是以电荷耦合器件(CCD)或金属氧化物半导体(MOS)器件为基础的。具体地说，在使用MOS器件时，可以发现，元件的灵敏度函数Ak存在有不希望出现的变化，也就是说，元件具有不同的灵敏度，因此会根据所接收到的同样的射线强度而给出不同的输出Sk。这种变化通常要大于采用电荷耦合器件(CCD)的传感器中的变化。这就妨碍了比采用CCD的传感器更好的采用MOS的传感器在消费者摄像机中的广泛应用，尽管有使用包括MOS的传感器的长期需要，以便从MOS检测和处理电路的兼容性中获益。就此而言，提供用于使MOS器件运转的电源和控制信号与提供用于使相应CCD运转的电源和控制信号相比有较小的复杂性并且是廉价的，这是因为，诸如供电电压之类的电路参数在前一种情况下是兼容的。所说的变化会导致输出Sk中的固定格式噪声(FPN)，从而会导致代表有斑点的场景的相应传感器信号。而且，所述元件还具有元件中的不同的偏移信号Bk值。就用于响应低强度射线的传感器而言，传感器的检测器元件及相应处理电路中产生的噪音Nk通常会成为问题，特别是导致Nk的原因之一的闪烁噪音会成为问题，这种噪音具有与频率相反增加的噪声谱密度。
在传感器接收到来自场景的射线时，输出Sk就会包含有不希望有的与来自场景的普通背景射线相对应的消隐脉冲电平分量及与场景中特征相对应的特征或反差分量。这具体在下列情况下是肯定的：
(ⅰ)传感器正在检测红外射线；
(ⅱ)所述场景处于约300K的环境温度下；以及
(ⅲ)给定的升至特征分量的场景温度变化Rfk小于1K。
消隐脉冲电平分量可以比特征分量大一千倍或者更大。这就导致较差的信号反差，这种反差会使得在输出Sk中难以识别出温度的变化，除非是对输出Sk作进一步的信号处理。
消隐脉冲电平分量的存在会限制用于对来自场景的射线特别是红外线进行传感的传感器系统的结构和效率。它通常会导致这样的表示场景图像的传感器信号，这种信号反差取决于相对场景的偏移误差和赝象。
US专利第5155348号中公开了一种解决上述消隐脉冲电平分量问题的方案。该专利说明了一种读取电路，它用于包括可对红外线进行响应的由128×128光检测器元件构成的两维阵列的传感器，其中，各个元件均与相应的读取电路相连。所述电路具有校准和测定步骤。
在所述校准步骤中，将校准图像投射到所述元件上。该图像对应于温度与要观看的场景或完全模糊的无特征均匀场景图像相类似的无特征校准对象。每个元件都响应校准图像而产生一信号，并且，各元件的相应电路均设置成能将与各相应元件响应校准图像而产生的信号相对应的校准信号存储在包括在其中的存储电容器Cc内。这就能在前述阵列上校正消隐脉冲电平分量。
在所述测定步骤中，将场景的聚焦图像投射到前述阵列上并在各个元件处生成一测定信号。从各个元件的测定信号中减去所述校准信号，以提供一差值信号。对该差值信号进行积分以提供一输出信号。所述电路会产生由一多路调制器所扫描的相应输出，以给出一复合的传感器信号。
上述方案通过在各个元件处除去消隐脉冲电平分量而减小了复合传感器信号的动态范围。该方案可降低对从多路调制器中接收传感器信号的远程电路的动态范围效率的要求，从而例如可以使用有8位分辨率而不是12位分辨率的模拟-数字转换器。
美国专利第5373151号中公开了一种用于降低FPN的技术。该说明书涉及一种光学系统，这种系统能将场景的聚焦和周期性散焦的图像投射到一多元件的焦点平面阵列上，以便在各个元件处分别生成相应的聚焦和散焦的信号。通过从各元件的聚焦信号中减于相应的散焦信号，可以获得用于各元件的差值信号。将来自各元件的差值信号组合到一起以提供业已减少了FPN赝象的系统输出。
尽管先有技术中使用了FPN校正，但是，在实践中可以看出，先在技术中的图像质量不如开始校正所给出的那样好，因此，必需不断地进行再校准。目前，先有技术未说明这种矛盾性的原因。
本发明的目的是提供一种带更有效FPN校正的传感器系统。
依照本发明，提供了一种传感器系统，它用于生成与过滤后的场景图像相对应的传感器信号，所述系统包括：
(ⅰ)检测装置，它采用多个检测器元件，这些元件用于在第一和第二检测步骤中分别生成第一个和第二元件信号；以及
(ⅱ)处理装置，它用于从上述元件信号中获得差值信号，以供生成传感器信号使用。
所述系统的特征在于，上述处理装置采用传感装置，它用于传感至少一个对元件灵敏度有影响的环境因素，并且，所述系统设置成能根据环境的变化而重复上述第一和第二步骤。
本发明具有这样的优点即：所述传感器系统能在对系统灵敏度有影响的任何一种环境因素产生变化的情况下在且仅在必要时进行再校准，以减小FPN。
美国专利5155348号所述的检测电路以及美国专利5373151号所述的系统的第一个问题是，等式1中的检测器元件的灵敏度函数Ak会受温度的影响。因此，在检测器元件的温度有变化时，这两份说明书中所述的FPN校正是不精确的。而且，第二个问题是，检测器元件的函数Ak的变化会随所接收到的射线的强度而变；例如，多元件的检测器阵列中的元件在较高的接收射线强度下通常有相同的灵敏度，而在较低的接收射线强度下则通常有不同的灵敏度。这就意味着在较高的接收射线强度下确定的FPN校正值若用于较低的接收射线强度就会变得不精确。先有技术未提及元件灵敏度函数Ak的这种温度和射线强度的敏感性。
解决第一个问题的通常办法是例如通过使用热连接于检测器阵列的受温度控制的元件来使多元件检测器阵列的温度保持稳定。这种受温度控制的元件例如可以包括帕尔帖元件，尽管帕尔帖元件具有体积大、成本高、高能耗和对热响应速度慢的缺点。而且，许多通常的光学系统均包括光圈组件，以使整个检测器阵列的照度稳定，这种光圈组件通常在自动曝光控制的常规35mm相机中使用。所述光圈组件通常是易于有机械磨损的精密光学部件。
尽管在美国专利5155348号和5373151号中说明了降低FPN，但是，并不希望有为减小FPN而进行的经常的有规律的再校准，因为：
(ⅰ)在有关的校准步骤中传感器信号会出现中断；以及，
(ⅱ)用于提供模糊和不模糊图像的以机械方式启动的光学组件易于机械磨损并有相关的不可靠性问题。
在视频应用中传感器按高的帧速率例如25图像／秒进行输出时，就不希望传感器信号再校准而周期性地中断，其中，校准步骤的持续时间基本上等于或大于测定步骤的时间。以机械方式启动光学组件是一个较慢的过程，例如，用小型线性启动器在1mm距离上启动50g的透镜通常要花50微秒。当在可视反馈控制系统中使用传感器信号时，传感器信号的中断会导致闪烁并且例如会导致控制不稳定的问题。可视反馈控制系统例如包括供农业使用的自动果实采摘设备以及保安检查系统。
依照本发明，可通过下述方法来减少上述问题即：使得可执行如美国专利5155348和5373151号所述的用于减小FPN的校准和测定步骤的传感器能响应一个或多个环境参数而执行校准步骤，所说的参数会对因与最近执行校准步骤时的值相比超过一阈值而有所变化的传感器特性产生影响。
环境因素例如包括下列因素中的任何一种：
(ⅰ)系统温度；以及
(ⅱ)系统从场景中接收到的射线总量。
因此，
(ⅰ)传感装置可对检测装置处的温度和照度中的任何一个进行响应；以及
(ⅱ)系统可设置成能响应温度和照度中的任何一个超过一预定值的变化而重复上述第一和第二步骤。
通过使图像之一成为场景的局部空间平均图像，可以减少传感器中的FPN。可通过使图像之一成为场景的漫射图像来获得局部空间平均图像。所以，上述系统可包括投影装置，它用于将场景投射到检测装置上，因此，会在弥散图像步骤中产生至少一个元件信号。
所述投影装置可采用启动装置，它用于将射线散射装置置于场景与检测装置之间。这就具有为生成漫射图像提供一种实用的机械结构这样的优点。例如，散射装置可插入成能按与投影装置相对检测装置为将精确对焦的图像投射到检测装置上而必须保持的精度相比是较低的机械精度来生成漫射图像，因此，在不相对检测装置干扰投影装置位置的情况仅通过插入散射装置，就可将上述系统从投射精确对焦的图像的系统转换成投射模糊图像的系统。
启动装置可包括螺线管装置和用于使散射装置移动并旋转以使其介于场景与检测装置之间的装置中的至少一个装置。这就会提供这样的优点即：启动装置可适于系统外部包装例如外罩、箱或外壳的形状所施加的各种机械限制。
散射装置可包括下列部件中的至少一个：毛面玻璃板、半透明塑料板、描图纸板、微棱镜板、菲涅耳板和相位板。这就具有能选定实用整数以供生产漫射图像使用的优点。
投影装置是这样设置成的：在聚焦图像是漫射的时，与一个元件上接收自该图像的射线相对应的射线可被两个元件之间以及64％的元件所接收。这就能提供有效且实用的模糊范围这样的优点，以便减小FPN。
可以采用上述系统，因此：
(ⅰ)该系统包括投影装置，它用于将场景的图像投射到检测装置上；
(ⅱ)所述投影装置设置成能在所述步骤之一中将局部空间平均图像投射到检测装置上并在另一步骤中投射聚焦的测定图像；以及
(ⅲ)所述处理装置设置成能从来自上述局部平均和测定图像的元件信号中生成传感器信号。
这就会有这样的优点即：可通过将投影装置包括进所述系统以便将场景的局部空间平均图像投射到检测装置上，从而减小FPN。
可在局部空间图像之前将测定图像投射到检测装置上，从而，可在传感器信号中使图像色调反转。这就能提供这样的优点即：所述系统可同时进行FPN和色调反转。这里，将色调反转定义为这样的场景区域，它们会比其它区域发射更多的射线并且与传感器信号中的上述其它区域相比表现为传感器信号中的较暗区域。
投影装置可包括一液晶空间光调制器，就将射线从场景传到检测装置而言，在两种情况下都可将该调制器构造成在一第一基本上为非散射状态与一第二漫射状态之间是受控的。这就提供了是一种简单方法的优点，所述方法用于在不需使用于易于磨损的靠机械方式启动的组件的情况下生成漫射图像。
液晶调制器可以是含有聚合物的液晶装置(PDLC)，它具有可根据加在该液晶装置的控制电位来加以选择的散射和非散射状态。这就提供了是一种简单装置的优点，这种装置可方便地从一种状态转变成另一种状态，并且，不象其它类型的液晶装置那样，这种装置不需要极化过滤器去进行操作。而且，这种装置可更迅速地进行响应并且比以机械方式启动的漫射快门更为小型化。
所述系统可被包括进一个或多个数字静物摄像机、视频摄像机、个人电子记事本或移动电话。当在数字静物摄像机或视频摄像机中使用上述系统时，该系统可提供FPN校正，这种校正使得能在所述摄像机中使用CMOS检测器。个人电子记事本通常靠来自电池的可用于包括于其中的电子元件的有限电位来进行工作，本发明能使得使用CMOS装置的传感器系统包括在上述记事本内，以便例如将所提供的文挡成像和扫描到该记事本中。包括在移动电话中的本发明可将图像的数据入口提供给该移动电话，从而提供可视电话，特别是在移动电话不经常使用并且使用时会经历极端温度的情况下，本发明具有提高图像质量的优点。
在另一个方面中，本发明提供了这样一种方法，该方法能从传感器系统中提供与场景的过滤图像相对应的传感器信号，上述方法包括下列步骤：
(a)监控包括在所述系统中的多元件检测器，以测定对检测器响应有影响的环境因素；
(b)使系统中的投影器在第一步骤中将第一图像投射到检测器上，从而在各元件处提供一第一信号；
(c)记录各元件的第一信号；
(d)使投影器在第二步骤中人将第二图像投射到检测器上，从而在各元件处提供第二信号，所述第一和第二图像中的至少一个是场景图像；
(e)从各元件的第一和第二信号及各元件的第二元件信号中获得一相应的差值信号以提供一差值信号。
(f)以总体的方式输出各元件的差值信号以提供传感器信号；
(g)监控传感器环境以检测对其灵敏度有影响的变化；以及
(h)根据环境变化是否被检测为小于预定的阈值而重复步骤(d)至(g)或步骤(b)至(g)。
在又一个方面中，本发明解决了生成供执行FPN校正用的局部空间平均图像的问题。在先有技术中，例如在美国专利US5155348号中以及在美国专利5373151号所述的系统中，通过投射一场景的散焦图像可形成一局部空间平均图像。这涉及在光学投影组件投射聚焦和散焦图像的状态之间启动光学投影组件。
在还一个方面中，本发明提供了这样一种传感器系统，它用于生成与场景的过滤图像相对应的传感器信号，所述系统包括：
(ⅰ)检测装置，该装置包括多个检测部件，以便在第一和第二检测步骤分别生成第一和第二元件信号；以及
(ⅱ)处理装置，该装置用于从上述元件信号中获得一差值信号以供生成前述传感器信号使用；
所述系统的特征在于，该系统包括投影装置，它用于将场景图像投射到检测装置(528)上，因此，可在一漫射图像步骤中生成至少一个元件信号。
本发明提供了一种用于生成局部空间平均图像的实用方法这样的优点。例如，可在漫射图像步骤通过按与投影装置为将精确对焦的图像投射到检测装置必须相对检测装置所保持的精度相比较低的机械精度来插入散射装置而生成漫射图像；因此，在不相对检测装置干扰投影装置位置的情况下仅通过不精确地插入散射装置，就可将上述系统从投射精确聚焦的图像的系统转换成投射模糊图像的系统。
为了能更完全地理解本发明，以下参照附图以举例的形式说明本发明的实施例，在附图中：
图1是一传感器系统的概略图；
图2是由图1中的系统构成的先有技术聚焦平面阵列的概略图；
图3是沿图2中阵列的轴的传感器信号的曲线图；
图4是用全局消隐脉冲电平校正和局部消隐脉冲电平校正所校正的图3中的信号的曲线图；
图5是本发明的一个实施例的概略图，该实施例包括独立于一阵列的随机存取存储器；
图6是说明元件灵敏度的曲线图，所述灵敏度是接收到的射线强度函数；
图7是说明元件灵敏度的曲线图，所述灵敏度是元件温度的函数；
图8是图5中的本发明的另一个实施例，该实施例包括照度和温度传感器；
图9、10、11、12是四幅用图5的本发明的实施例来记录的图，它们说明了由FPN校正所提供的图像质量的改进情况；以及
图13是图9至12所示的图的轮廓图，在该轮廓图中用圆点来表示FPN斑点的位置。
以下参照图1来说明减小FPN。在图1中，示出了通常用标号1来表示的传感器系统的概略图。图1包括一物体2、一成像透镜4和一聚焦平面阵列6。阵列6包括一基层8，由诸如元件10之类的均匀分布的检测器元件构成的阵列粘合在基层8的前部元件表面12上。表面12是一矩形区域，它具有如图所示的长度为h的较长侧边。每个元件与其最近的相邻元件之间的中心距均为元件间距离p，如图所示。物体2、透镜4和阵列6均顺序地位于与表面12垂直相交的光轴z-z′上。在三个不同位置上即位置Q1、Q2、Q3示出了阵列6，所说的位置分别是物体2的被透镜4投射到阵列6上的聚焦、部分模糊和完全模糊的均匀图像的位置。在位置Q1、Q2、Q3处，阵列6沿光轴z-z′分别位于0、w1、w2的距离处。所说的元件可对发射自物体2的相应部分的光子进行响应以提供检测器信号。
穿过透镜4的来自物体2的发射和反射射线在位置Q1处入射到阵列6上时处于0至αmax弧度的范围内。在位置Q1处入射到阵列6的一个元件10上的射线相对位置Q2、Q3上的元件10按高达Fmax的距离会散布在表面12上，所述Fmax是分别由等式[2]、[3]提供的：
Fmax=αmaxw1    等式2
Fmax=αmaxw2    等式3
就本说明书而言，聚焦图像是基本上清晰的图像，也就是说，其中的Fmax小于距离p。部分模糊的图像是其中空间特征是可辨别的但精细的空间特征是模糊不清的图像。而散焦图像则是完全都模糊的图像，因此，基本上都无法辨别空间特征。
在图2中，示出了沿方向z-z′来看的图1中阵列6的表面12的正视图。为了清楚起见，图2中示出了这样的阵列，它包括由5×5个元件构成的两维区域，以表示包括由128×128个元件构成的区域的阵列6，也就是说，该阵列有128列元件和128行元件。所说的行和列是相互垂直的。示出了轴x-x′，它平行于表面12并与一行元件即包括位于阵列6的一边附近的元件E1和位于阵列6的另一边附近的元件E2的那行元件相交，如图所示。元件E2至E127沿轴x-x′接相邻的顺序位于元件E1与元件E128之间，例如，元件E2位于元件E1与元件E3之间，元件E127位于元件E126与元件E128之间，等等。
在图3中，示出了来自各个元件E1至E30即来自从元件E1至元件E30的一行元件的检测器信号的曲线图，所述元件E1至元件E30沿轴x-x′位于从元件E1至元件E128的距离的约四分之一处。所述曲线图具有横坐标轴30，它表示沿轴x-x′的元件位置距离。所述曲线图还具有纵坐标轴31，它对应于来自前述元件的检测器信号。轴31包括断点32，因此，参照纵坐标轴31放大了该曲线图中的对比信息。曲线33a(实线)、33b(虚线)、33c(点划线)分别对应于用于位置Q1处的聚焦图像的检测器信号、用于位置Q2处的部分模糊的图像以及用于位置Q3处的散焦图像。曲线33a包括元件E3、E4、E11、E12、E13、E14、E19、E20元件处的特征信息，该特征信息对应用物体2的源于温度变化的射线变化。元件E3、E4处的变化小于元件E11、E12、E13、E14、E19、E20处的变化。曲线33c对应于来自物体2的平均射线并且用作校正信号，该信号如在先有技术中那样用于消除消隐脉冲电平分量。曲线33c的不规则性源于元件间灵敏度的差异。曲线33b对应于来自物体2的在阵列6上有所变化的局部平均射线。
在图4中，示出了来自各个元件E1至E30的检测器信号的曲线图，其中，已从曲线33a中减去了曲线33b、33c，以便分别提供曲线35b、35a。曲线35a、35b分别被显示为实线和虚线。横坐标轴30对应于图2中沿轴x-x′的元件位置距离。线36对应于零值。纵坐标轴38对应于校正了的元件信号，其中，已减去了用于各元件的消隐脉冲电平分量。曲线35a对应于来自物体2的相对空间射线即辐射计输出。曲线35b对应于曲线35a的过滤形式，其中，加重了来自物体2的射线的局部变化。
曲线35a包含在为Aa至Ab的第一动态范围内。元件E3、E4的局部变化包含在为Da至Db的第二动态范围内。消除局部消隐脉冲电平分量会形成包含在为Ba至Bb的第三动态范围内的曲线35b。Ca至Cb的第四动态范围包含了曲线35b中的在元件E3、E4处的局部变化。
与和第一动态范围成比例的第二动态范围相比，第四动态范围是第一动态范围的更大比例，即 C a - C b B a - B b > D a - D b A a - A b 公式4
结果，曲线35b不对应于相对的辐射计输出但包含有来自物体2的射线的小的局部变化，相对来自物体其它区域的较大变化加重了这种小的局部变化。从而在曲线35b中加重了特征边缘，这就会如按物体2所确定的那样增强了物体2的在视觉上的可理解性。
可选择位置Q2处所提供的局部模糊的程度，以便在曲线35b中提供最佳的过滤度。如果聚焦图像在位置Q1处的点模糊成该图像在位置Q2处的100％，则曲线35a、35b会变得相同，在这种情况下，不进行过滤。如果模糊的程度减少成接近完全聚焦，即位置Q1、Q2是重合的，则曲线35b对所有的元件来说都是零值。在实践中，可例如选择模糊的程度，因此，图像中在位置Q1处的点会在这样的范围内模糊即：该范围按阵列6中的元件的25％来遍及最近的周围相邻的元件(p)。可通过手工或自动控制来调节模糊度，以提供预定的过滤度。
进一步说明系统1的操作，可用下式[5]来说明通过透镜4投射到元件E上的物体2的图像，元件E设置在一包括表面12的笛卡尔x-y平面内：L(x，y，z)=∫∫K(x-x0，y-y0，z)L(x0，y0，0)dxdy
公式5
其中
x0，y0=x轴、y轴在这样的平面内的笛卡尔坐标，在所说的平面内z=0 且包括有清晰的图像即在位置Q1处的图像；
z=沿轴z-z′的例如在位置Q2处的z轴坐标；
x，y=x轴、y轴在这样的平面内的笛卡尔坐标，所述平面包含有在z不等于0时模糊的图像例如包含处在位置Q2处的图像；
K=透镜4提供的模糊函数；以及
L=描述图像的函数。
曲线35b对应于差值信号(x0，y0)，它是第一与第二图像之差，所述第一图像具有在位置Q1处的z坐标z1=0，所述第二图像具有在位置Q2处的z坐标z2=w1，如公式[6]所述：
D(x，y)=L(x，y，z1)-L(x，y，z2)
公式6
在w1=0的情况下，函数L(x，y，z1)和L(x，y，z2)相等并且两者都包含特征信息，但会使D(x，y)等于0。如果在位置Q1、Q2上将同样模糊的图像投射至阵列6上从而导致曲线35b缺乏任何特征信息，上述情况就会出现；如果位置Q1和Q2是相同的，上述情况就会出现。
通过对函数K进行约束的几何光学约束条件，可利用公式[7]来说明从透镜4获得的模糊度的上限Fmax：
Fmax=ztanαmax    公式7
其中
αmax=相对构成阵列6上图像的射线的轴z-z′的最大射线半角。
因此，如果在公式[7]中z=0的位置Q1处有聚焦图像出现在阵列6上，则会在D(x，y)所表示的曲线35b的最终过滤输出中加重小于ztanαmax的图像特征。这些图像特征对应于图像中受模糊影响的非均匀空间分量。这些空间分量大致对应于对解释图像来说是重要的特征信息。
图5示出了本发明的传感器系统500。该系统包括摄像机502、控制器单元504、帧存储器(RAM)506、模数转换器(ADC)508、两个地址锁存器510、512、多路解调器(DEMUX)514以及减法器单元516；这些装置如图所示并如以下将说明的那样连接在一起。
摄像机502包括成像透镜单元520、由启动装置524所启动的半透明快门522以及由诸如元件528a之类的金属氧化物半导体(MOS)光检测元件528构成的阵列526。沿系统500的光轴(未示出)来设置透镜单元520、快门522和阵列526。快门522安装在这样的位置处，与距阵列526的距离相比该位置更靠近透镜单元520，这就能为系统500提供这样的校准用图像，该图像比在快门522安装在较透镜单元520更靠近阵列526的情况下所获得的图像更为弥散。图5中未包括与标号520至528相连的防偏器、时钟信号线以及电源线，因为这些装置对本技术的专家来说是周知的。
阵列526是由C-CAM Technologies SA公司生产的专用FUGA-15装置，包括由512×512光检测器元件构成的阵列，它可对波长在400nm至1000nm范围内射线进行响应。阵列526包括用于对来自各光检测元件528的的输出进行多路调制的电路，以便提供模拟输出S1。所述阵列还包括地址输入ADX、ADY以及启动输入ENX、ENY。所述电路配置成在将输入ENX、ENY设置成有效状态时能在来自元件528的输出S1处提供被输入ADX、ADY的地址所参考的信号。
控制器单元504是Altera公司生产的可完全编程的门阵列(FPGA)式Max9000并且配置成能按40MHz的时钟速率进行工作。RAM506包括由Cypress Semiconductor Ltd公司生产的一组四个CY62170型专用静态随机存取存储器。该组存储器排列成512×512个存储器单元，每个单元均用于存储16位信息。ADC508包括由Analogue Devices Inc公司生产的ADS800型12位流水线式半闪存转换器以及由Analogue Devices Inc公司生产的AD817AN型视频放大器，以便在阵列526与半闪存转换器之间进行缓存。锁存器510、512均包括两个由QualitySemiconductor Ltd公司生产的QS74FCT373型八进制锁存器。多路解调器514包括四个由Quality Semiconductor Ltd公司生产的QS74FCT541型八进制缓存器，这四个缓存器成对地配置以提供两个输出S3A、S3B以及信号输入S2。减法器单元516是周知的标准的12位并行输入、并行输出装置。
装置524配置成能随着控制器单元504提供给它的控制输入SERVO而使快门522在第一与第二位置之间移动。快门522可位于上述第一位置处，因此，快门522不会遮挡从单元520到达阵列526的射线，并且，快门522可位于上述第二位置处，因此，快门522不会散射从单元520穿过该快门到达阵列526的射线。快门522包括一毛面玻璃板，它可透射并散射可见射线，同时能减弱基本上仅为5％的入射射线。所述快门提供了散射特性，其中，在快门位于所述第一位置时，位于阵列526中心区的元件528即参照元件所接收到的射线是散射的，因此，该射线的90％会在与参照元件最接近的元件范围内照射在所述第二位置处的阵列526的与参照元件相邻的64％的元件528上。快门522包括数千个光散射点，它们有助于提供模糊的透射图像，该图像适用于对系统500进行校正。
ADC508配置成能将输出S1转换成等价的12位数字输出S2。多路解调器514配置成能按控制单元504在控制输入Men处的指令将输入S2解调制成两个输出S3A、S3B。
RAM506包括地址输入ADX、ADY、启动输入Ren和双向输入-输出总线(BUS)。RAM506配置成在控制器504通过Ren输入对其发指令时能存储和检索与输入ADX、ADY处的地址参照有关的存储器单元中的数据。通过总线将数据输入给和输出自RAM506。
减法器516配置成能计算出输入IN1，IN2处的数据输入之差，以提供一来自系统500的输出Sout。
以下参照图5说明系统500的操作。摄像机502的操作员通过使摄像机对准用‘S’表示的场景而开始操作。
在系统500的校准模式中，控制器单元504指令装置524将快门522移至第二位置，以使介于透镜单元520与阵列526之间。场景会发出可见射线，单元520可将该射线传过快门522，以便在阵列526上形成一漫射投影的场景图像。元件528对该漫射图像进行响应，并且，来自控制器单元504的指令将各元件的输出多路调制进输出S1。ADC508将来自阵列526的输出S1转换成输出S2处的数字信号。输出S2被多路解调器514多路解调成输出S3B，该输出从多路解调器514输入给RAM506，并将其存储在RAM506内。来自阵列526中各元件528的输出被存储在RAM506的相应存储器单元内，以提供校准数据。
在系统500的测定模式中，同在上述校准模式中一样，将摄像机502对准场景。受控制器单元504指令的装置524使快门522移至第一位置，在该位置处，快门不会遮挡来自场景的射线。单元520将场景的非漫射图像投射到阵列526上，并且，元件528对该图像进行响应。控制器504指令阵列526对来自元件528的输出进行多路调制，以提供输出S1，该输出在ADC508内被转换成输S2处的数字信号。然后，经由多路调制器514将输出S2多路调制进减法器516的输入IN1。控制单元504还指令RAM506将所存储的数据在总线上输出给输入IN2，输入IN2与输出位于输入IN1处的元件528相对应。减法器516计算输出IN1、IN2处的信号之差并在输出Sout处输出该差值，以便提供来自系统500的输出。控制器单元504对阵列526中的每个元件528都重复上述减法操作。
输出Sout对应于从各元件528对场景非漫射图像的响应率中减去各元件528对场景漫射图像响应率的差值。在测定模式中，与直接来自阵列526的位于S1处的输出相比，可在输出Sout处的数据中减少因闪烁噪音及元件偏移和灵敏度方面的变化所导致的缺陷即FPN。还可在输出Sout中减少因元件偏移和灵敏度对温度的依赖性所导致的缺陷。
系统500提供了能将在先有技术使用的可普遍获得组件用于实现本发明这样的优点。在校准与测定模式之间转换时，快门522能在不需要改变透镜单元520相对阵列526的位置的情况下为降低FPN而提供漫射图像。而且，快门522可相对不精确地介于透镜单元520与阵列526之间，并且，与通过使透镜520相对阵列526移动而形成用于降低FPN的模糊图像相比，能提供更佳的FPN下降。
系统500可用于多种应用，例如：
(ⅰ)用于记录静态图像的数字静物摄像机；
(ⅱ)用于记录移动图像的视频摄像机；
(ⅲ)例如用于记录文件的个人电子记事本；以及
(ⅳ)移动电话。
当在数字静物摄像机或摄像机中使用系统500时，该系统可提供FPN校正，这种校正允许在所述摄像机中使用CMOS检测元件。个人电子记事本通常靠从电池中获得的可用于其中包括的电子组件的有限电源来运行；使用CMOS检侧元件的传感器系统500可包括在所述记事本内，以便例如对提供给该记事本的文件进行成像和扫描。包括在移动电话中的本发明提供了进入移动电话的图像数据入口，从而提供了一视频电话；本发明提供了提高图像质量的优点。
可将输出Sout显示在屏幕上、存储在储器内，以供将来显示或作其它处理，或者印制到系统500构成了一电子相机系统一部分的地方。所述存储器可以是可重写EEPROM，该存储器可在撤去了提供给它的电源时保持数据。
可用CCD阵列来代替系统500的MOS阵列526。在这一实施例中，系统500可提供与MOS阵列526相类似的优点即可降低闪烁噪音、FPN和偏移。而且，装置524可包括一个或多个螺线管和电机，以便至少以线性和旋旋之一的方式移动快门522。
还有，在校准模式中，装置524可使透镜单元520相对阵列526移动，以便将部分模糊的场景图像投射到阵列526上，而不是使用快门522。
快门522可不采用毛面玻璃板而是采用半透明塑料板、描图纸板、微棱镜板、一个或多个菲涅耳板或者一个或多个相位板，以便使来自场景的射线漫射。在如在标准的(SLR)的反射式相机中那样以能作枢轴运动的方式来安装快门522。另外，所述快门也可以安装在一可旋转的承载体上，以便在阵列526与透镜单元520之间快速地插进和抽出。
快门522及其启动装置524可用液晶快门来代替，液晶快门配置成能在透明与部分不透明状态之间操作；液晶快门呈空间光解调器的形式。在这种情况下，当在校准与测定模式之间转换时，不需要快门522移动。液晶快门可以是含有聚合物的液晶装置(PDLC)，该液晶装置配置成能根据提供给它的偏压电势在一种状态下散射从中透过的可见射线而在另一种状态下则使射线基本上无散射地从中透过。所述PDLC包括有包含在连续的均质聚合物基质中的向列液晶涓滴；通过使单体与液晶相混合然后使单体聚合以便在聚合物基质内形成液晶滴的固体悬浮物，从而制造出所述的PDLC。PDLC中使用的向列液晶可具有正绝缘各向异性，因此，该液晶可在向其提供有零偏压时于第一状态下散射从中穿过的射线，而在向其提供偏压电势时于第二状态下使得射线基本上无散射地从中穿过。另外，所述液晶可具有负绝缘各向异性，因此，该液晶可在向其提供有偏压时于第一状态下散射从中穿过的射线，而在向其提供零偏压电势时于第二状态下使得射线基本上无散射地从中穿过。具有负绝缘各向异性的液晶包括这样的分子，这些分子会以垂直的方式与因将偏压电势施加给液晶装置而产生的电场相对齐；这是最佳的，因为，仅在系统500的校准过程中才需要偏压电势。而且，系统500按下述方式操作即：该系统可交替地执行其校准模式和测定模式，或者，所述系统配置成能在返回至校准模式之前执行测定模式多次。再有，所述系统这可在看到场景时配置成能先执行测定模式，然后执行相关的校准模式；这就会在静物摄像机中使用所述系统时提供这样的优点即：允许操作者在不必先执行校准模的情况下立即获得场景的视图。
可用动态随机存取存储器(DRAM)来代替系统500中的RAM506。DRAM通常要比SRAM廉价，从而能降低系统500的成本。系统500可以配置成用能提供多个信号输出的阵列来代替阵列526，每个输出均与自己的ADC相连，对ADC的输出进行多路调制，以提供信号S2。这就允许使用较慢的ADC，这在所述阵列包括多于512×512个元件时有特别的优势。
依照本发明，业已令人惊奇地发现，为了精确地校准系统500，所需的校正是依赖于射线的并且是依赖于温度的。这一点在先有技术中未作说明，FPN校正中的误差可看作是随机性的。但是，本发明的实验研究业已发现，阵列526中的光检测元件528均表现出有一定的灵敏度Ak，它随入射到该元件上的光强以及元件的温度而变。而且，各元件均有一唯一的灵敏度Ak，它一般不同于阵列526中的其它元件的灵敏度。图6和7分别用曲线图600和700示出了元件灵敏度Ak，它是入射光强的和元件温度的函数。
曲线图600具有：横坐标轴602，它对应于入射到元件528上的光强IR；以及，纵标标轴604，它对应于元件灵敏度Ak。三条曲线610、612、614表示彼此相对分别具有平均、较高和较低灵敏度的第一、第二和第三元件的光检测器的响应曲线。这三条曲线610、612、614均示出了灵敏度随光强IR的增加而下降，这起因于元件响应曲线的饱和效应。
在光强IR2处，曲线612和614表示，与曲线610中的第一元件的灵敏度相比，第二和第三元件分别有灵敏度差ΔAA和-ΔAB。如果如在先在技术中那样对光强IR2进行FPN校正，那么，就使得偏移量校正-IR2ΔAA和IR2ΔAB分别作用于第二和第三元件产生的信号，以使它们在校准模式中与第一元件信号相匹配。但是，当偏移量校正-IR1ΔAC和IR1ΔAD分别适用于第二和第三元件时，这些偏移量校正对阵列526的不同光强IR1来说是错误的。因此，适用于一种入射光强IR2的FPN校正对另一种光强IR1来说是错误的，原因有两个即：光强和元件灵敏度都发生了变化。
在图7中，曲线图700具有：横坐标轴702，它表示元件的温度T；以及，纵坐标轴704，它表示元件的灵敏度Ak。该曲线具有三个响应曲线710、712、714，它们分别用于具有平均、较高和较低灵敏度的第一、第二和第三元件。曲线710、712、714随温度T的增加而增加，因为：
(a)元件的带隙随温度T的增加而降低；以及
(b)元件的漏电电流随温度T的增加而增加。
元件528的带隙随温度T的增加而降低会首先导致更有效地在各元件528内生成光电流，光电流源于光子感应的电子空穴对；其次，可导致各元件中有增大了的增益系数，以便将光电流转换成输出信号。每条曲线710、712、714具有相互不同的斜率。
在温度T2处，第二和第三元件具有这样的灵敏度，它们相对第一元件的灵敏度分别差ΔAE和-ΔAF。按先有技术对温度T2和接收到的光强IR所进行的FPN校正总是会导致偏移量校正-IRΔAE和IRΔAF分别作用于第二和第三元件形成的信号，以使得它们与第一元件的信号相匹配。但是，当偏移量校正-IRΔAG和IRΔAH分别适用于第二和第三元件时，这些偏移量校正不同的温度T1来说是错误的。因此，为一种温度所确定的FPN校正对另一种温度来说是错误的，因为灵敏度Ak随温度而变。
当在摄像机例如用于记录静态图像的静物摄像机中使用系统500时，最好对要加以观测和记录的各个场景执行校准和测定模式。这是因为，与先前的场景相比，每个场景就照度而言都可能是不同的。而且，系统500的温度会因场景而变。
但是，在将系统500包括进视频摄像机内时，对每个测定模式都执行校准模式并不总是可行的，因为，摄像机使用了约50帧／秒的较高帧更新率。最好在包括系统500的视频摄像机内仅响应照度或温度的变化来执行校准模式。通过操作者按下系统500中所包括的开关以指令控制器单元504去执行校准模式，从而能手动地执行校准模式。
图8示出了系统500的一种改进形式。它一般用标号800来表示。除温度和照度传感器802、804包括在阵列526内并与控制器单元504相连以便为其提供温度和照度数据以外，系统800包括与系统500相类似的部件。控制器单元504配置成在每次执行校准模式时都将来自传感器802、804的数据记录成参照数据。当控制器单元504检测到多个当前温度和照度数据中的一个相对所述参照数据发生变化超过一阈值时，就执行校准模式，然后，将当前数据记录为参照数据。温度和照度传感器802、804可位于阵列526的附近或者被包含成阵列526的一部分。包括温度传感器802可以通过阵列526温度的变化来触发再校准，从而，能根据温度为FRN和偏移提供自动校正，同时又不会频繁地影响系统800的操作。
在系统800包括用于阵列526的连续时间MOS检测器例如FUGA-15器件以及MOS重置检测器时，执行上述再校准和测定模式，所述MOS重置检测器例如在市售JPLAPS系统中所使用的那样在重置和曝光周期中进行操作。连续时间检测器提供一输出信号，该信号来自各个元件并对应于同时入射到元件上的射线，而重置检测器则提供一输出信号，该信号来自各个元件并对应于在设置期间入射到元件上的射线的一部分。连续时间检测器一般有比重置检测器大的FPN。当系统500、800包括APS系统的重置检测器时，必需要重置该检测器，并通过将快门522移至第二位置而使该检测器曝露于场景的漫射图像，然后，重置该检测器，并通过使快门522重新移至第一位置而使该检测器曝露于场景的非漫射图像。诸如FUGA-15器件之类的连续时间检测器可提供这样的优点即：它们不需重置。
尽管系统500、800可对可见射线进行响应，但是，也可以能在其它射线波长下例如在红外射线和X射线的波长下进行操作的等价部件来代替阵列526、透镜单元520和快门522。
参照图9、10、11、12，它们示出了系统500的输出Sout处提供的四个场景视图。图9对应于明亮地照射到系统500已进行了校准的场景的视图。在图9中，FPN是不显著的。在随后减少场景的照度以便在不对系统500进行再校准的情况下提供一变暗的场景时，FPN会变成如图10所示的较亮的光斑。可通过将系统500再校准成变暗的场景，可消除这些较亮光斑，如图11所示。在图11中，FPN是不显著的。但是，在场景的照度随后再次提高时，FPN作为较暗的光斑是可见的，如图12所示。当在校准之后改变系统500的温度时，会出现类似的效果。因此，图9至12证明了就保持在输出Sout处提供的图像质量而言必需响应环境参数例如场景照度的变化来对系统500进行再校正。
图13是图9至12所示的视图的轮廓图，在图13中，用圆点来表示特别显著的FPN斑点的位置。
本发明可同多元件的阵列一道使用，所述阵列的每个元件均包括镉-汞-碲化物光电二极管、带MOS读出器的光电二极管、带MOS读出器的光电晶体管、带MOS读出器的光电门电路以及带CCD读数器的光电二极管中的一个或多个。
尽管本发明的上述实施例设置能对红外和可见射线进行响应，但是，在另一个实施例中，通过使用对超声波、X射线或微波射线进行响应的多元件阵列并使用诸如反射器之类的一个或多个聚焦装置而将本发明设置成能对超声波、X射线或微波射线进行响应，所述聚焦装置可用于超声波、X射线或微波射线以便将彼此有不同模糊程序的图像投射到前述阵列上。
系统500、800可按下述方式进行操作即：可分别在校准模式和测定模式中将基本上聚焦的图像和部分模糊的图像投射到阵列526上，因此，可将与基本聚焦的图像相对应的信号记录在RAM506内。这就能提供这样的优点即：可以获得输出Sout处的信号中的图像色调反转。

Claims (23)

1、一种传感器系统(800)，用于生成与过滤后的场景图像相对应的传感器信号，所述系统包括：
(ⅰ)检测装置(526)，它包括多个检测器元件(528)，这些元件用于在第一和第二检测步骤中分别生成第一个和第二元件信号；以及
(ⅱ)处理装置(504至516)，用于从上述元件信号中获得差值信号，以供生成传感器信号，
其特征在于，上述处理装置(504至516)包括传感装置(802、804)，用于传感至少一个对元件(528)灵敏度有影响的环境因素，并且，所述系统(800)设置成能响应环境的变化而重复上述第一和第二步骤。
2、如权利要求1的系统(800)，其特征在于：
(ⅰ)传感装置(802、804)可对检测装置(526)处的温度和照度中的至少一个进行响应；以及
(ⅱ)系统(800)可设置成能响应温度和照度中的至少一个超过一预定值的变化而重复上述第一和第二步骤。
3、如权利要求1或2的系统，其特征在于包括系统投影装置(502)，用于将场景图像投射至到检测装置(528)上，因此，会在漫射图像步骤中产生至少一个元件信号。
4、如权利要求3的系统，其特征在于，所述投影装置包括启动装置(524)，它用于将射线散射装置(522)置于场景与检测装置(526)之间。
5、如权利要求4的系统，其特征在于，所述启动装置(524)包括螺线管装置和用于使前述散射装置移动并旋转以使其介于场景与检测装置(526)之间的装置中的至少一个装置。
6、如权利要求4或5的系统，其特征在于，所述散射装置(522)可包括下列部件中的至少一个：毛面玻璃板、半透明塑料板、描图纸板、微棱镜板、菲涅耳板和相位板。
7、如权利要求3的系统，其特征在于，投影装置是这样设置的：在聚焦图像是漫射的时，与一个元件上接收自该聚焦图像的射线相对应的射线可被两个元件之间以及64％的元件所接收。
8、如权利要求1的系统，其特征在于：
(ⅰ)包括投影装置(502)，用于将场景的图像投射到检测装置(528)上；
(ⅱ)所述投影装置(502)设置成能在前述步骤中的一个步骤中将局部空间平均图像投射到检测装置(528)上并在另一步骤中投射聚焦测定图像；以及
(ⅲ)所述处理装置(504至516)设置成能根据来自上述局部平均和测定图像的元件信号来生成传感器信号。
9、如权利要求8的系统，其特征在于，可在局部空间图像之前将测定图像投射到检测装置上，从而，可在传感器信号中使图像色调反转。
10、如权利要求8的系统，其特征在于，所述投影装置包括一液晶空间光调制器，就将射线从场景传到检测装置(526)而言，在两种情况下均可将该调制器构造成在一第一基本上为非散射状态与一第二漫射状态之间是受控的。
11、如权利要求10的系统，其特征在于，所述液晶调制器是含有聚合物的液晶装置(PDLC)，具有可根据加在该液晶装置上的控制电位来加以选择的散射和非散射状态。
12、如权利要求11的系统，其特征在于，所述液晶装置包括液晶材料，这种材料在聚合物基质上具有负绝缘各向异性，所述基质设置成能提供一定程度光散射，这种散射会根据加在该基质上的控制电位的增加而增加。
13、如权利要求1的系统，其特征在于，该系统可包括在下列设备之一内：数字静物摄像机、摄像机、个人电子记事本以及移动电话。
14、一种能从传感器系统中提供与过滤后的场景图像相对应的传感器信号的方法，该方法包括下列步骤：
(a)监控包括在所述系统中的多元件检测器(526)，以测定时检测器灵敏度有影响的环境因素；
(b)使系统中的投影器(502)在第一步骤中将第一图像投射到检测器(526)上，从而在各元件处提供一第一信号；
(c)记录各元件的第一信号；
(d)使投影器(502)在第二步骤中将第二图像投射到检测器(526)上，从而在各元件处提供第二信号，所述第一和第二图像中的至少一个是场景图像；
(e)从各元件的第一和第二信号及各元件的第二元件信号中获得一相应的差值信号以提供一差值信号；
(f)以总体的方式输出各元件的差值信号以提供传感器信号；
(g)监控传感器(526)的环境以检测对其灵敏度有影响的变化；以及
(h)根据环境变化是否被检测为小于预定的阈值而重复步骤(d)至(g)或步骤(b)至(g)。
15、如权利要求14的方法，其特征在于，所述图像是模糊的，因此，当场景被清楚地投射到检测器(528)上时可在元件之一上接收到的射线是模糊的，所以，在聚焦图像是漫射的时，该射线可被两个元件之间以及检测器上的64％的元件所接收。
16、一种传感器系统(500)，用于生成与过滤后的场景图像相对应的传感器信号，所述系统包括：
(ⅰ)检测装置(526)，该装置包括多个检测元件(528)，以便在第一和第二检测步骤中分别生成第一和第二元件信号；以及
(ⅱ)处理装置(504至516)，该装置用于从上述元件信号中获得一差值信号以供生成前述传感器信号；
其特征在于，该系统(500)包括投影装置(502)，用于将场景图像投射到检测装置(528)上，因此，可在一漫射图像步骤中生成至少一个元件信号。
17、如权利要求16的系统，其特征在于，所述投影装置包括启动装置(524)，用于将射线散射装置(522)置于场景与检测装置(526)之间。
18、如权利要求17的系统，其特征在于，所述启动装置(524)包括螺线管装置和用于使前述散射装置移动并旋转以使其介于场景与检测装置(526)之间的装置中的至少一个装置。
19、如权利要求17或18的系统，其特征在于，所述散射装置(522)可包括下列部件中的至少一个：毛面玻璃板、半透明塑料板、描图纸板、微棱镜板、菲涅耳板和相位板。
20、如权利要求16的系统，其特征在于，所述投影装置是这样设置的：在聚焦图像是漫射的时，与一个元件上接收自该聚焦图像的射线相对应的射线可被两个元件之间以及64％的元件所接收。
21、如前述从属权利要求16的任一权利要求的系统，其特征在于，所述投影装置包括一液晶空间光调制器，就将射线从场景传到检测装置(526)而言，在两种情况下均可将该调制器构造成在一第一基本上为非散射状态与一第二漫射状态之间是受控的。
22、如权利要求21的系统，其特征在于，所述液晶调制器是含有聚合物的液晶装置(PDLC)，它具有可响应加在该液晶装置的控制电位来加以选择的散射和非散射状态。
23、如权利要求22的系统，其特征在于，所述液晶装置包括液晶材料，这种材料在聚合物基质上具有负绝缘各向异性，所述基质设置成能提供一定程度光散射，这种散射会根据加在该基质的控制电位的增加而增加。
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