CN1434629A - 在互补式金氧半导体影像感测器中快速自动曝光或增益控制的方法 - Google Patents

Abstract

在一互补式金氧半导体(CMOS)影像感测器中，控制其曝光时间或增益是很重要的。对于要改变周边光线的变化，一些阵列的曝光时间必须改变。本发明描述了一个控制曝光时间或增益的方法，以确保所得到的影像的亮度(brightness)平稳与快速的变化。如果上述的曝光时间减少或增加，则上述增益的控制相对的增加或减少，而在影像亮度的改变相对变的更加平滑。这可以实质上降低影像的闪烁现象。

Description

在互补式金氧半导体影像感测器中快速自动 曝光或增益控制的方法

发明领域：

本发明与一种互补式金氧半导体(CMOS)影像感测器有关，特别是一种控制一影像感测器的曝光时间与/或(and/or)增益的方法。

发明背景：

随着积体电路技术的迅速发展，许多不同领域的已有革命性的发展，上述的领域包括：电脑、控制系统、电子通信与影像。举一个例子来说，在影像的领域中，互补式金氧半导体(CMOS)影像感测器已经被证明它的制造价格比电荷耦合元件(CCD)影像装置来得低。更进一步来说，对于某些应用上，互补式金氧半导体(CMOS)的性能是比较优良的。在互补式金氧半导体(CMOS)元件中像素(pixel)可以做的更小，以提供一比电荷耦合元件(CCD)影像感测器更高的解析度。此外，以逻辑需要而处理的信号可以整合靠在该影像电路之旁，在这样情况之下，一个单一的集成芯片可以形成一个完整的单独影像装置。从各种方法制造出来的互补式金氧半导体(CMOS)影像感测器是可用的，其包括本发明的受托人OmniVision技术公司。

一由一影像感测器所形成的影像的主要的基础材料是一像素。而上述像素的数目、大小与间隔决定了由影像装置所产生的影像的解析度。一影像感测器的像素事实上是许多的半导体元件，上述的半导体元件将入射光转变为电流信号。上述由每一像素所产生的信号一般是非常小的。

一个影像感测器能够控制的重要参数是每一个像素到入射光的曝光时间。类似于摄影底片的曝光时间，每一个像素的曝光时间必须可以被调整以补偿照光条件的改变，例如对于户内或户外的照光环境。曝光时间太长将导致一影像极度地明亮并且把影像洗掉。相对而言，曝光时间太短将导致一影像变暗并且不容易观看。

另一个改变像素信号强度的方法是调整放大电路的增益。在许多方法中，控制上述的增益实质上就是类似于控制曝光时间。藉由改变一个或两者，上述由影像感测器所产生的影像可以最有效地进行观看。

美国第5,734,426号专利中描述了一习知的控制曝光时间的方法。然而，对于曝光时间可以自动改变的情形下，其改变速度对于某些应用是足够的，而对于另一些应用可能是不足的。举一个例子，对于汽车的应用，汽车可能行驶从一光亮处到黑暗处(例如在一隧道中)再回到光亮处，在这情形之下，影像感测器可以快速调整其曝光时间是很重要的。

发明内容：

本发明的目的在于揭露一种自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法。上述方法包括：决定是否一由影像感测器所提供的第一影像具有一全部的亮度落在一稳定的范围内；接着，如果第一影像的该亮度落在稳定的范围内，则保持影像感测器的曝光时间与增益以捕捉一随后的第二影像；然后，如果第一影像的亮度落在稳定的范围外，则：若亮度比稳定的范围大，则藉由一第一预先决定增量以调整曝光时间往后推移，而若亮度比稳定的范围小，则藉由一第二预先决定增量以调整曝光时间往前推移；最后，决定是否往后推移或往前推移的曝光时间的调整比一预先决定门限大，并且如果是，则：若曝光时间是往后推移调整，则增加影像感测器的增益，若曝光时间是往前推移调整，则减少影像感测器的增益。

本发明的另一目的在于提供一包括一矩阵像素、一可调曝光时间与增益的影像感测器，该影像感测器包括：一第一装置，上述第一装置是决定是否一由影像感测器所提供的第一影像具有一全部的亮度落在一稳定的范围内；一第二装置，上述第二装置是如果第一影像的亮度落在稳定的范围内，则保持影像感测器的曝光时间与增益以捕捉一随后的第二影像；一第三装置，上述第三装置是如果第一影像的亮度落在稳定的范围外，则：若亮度比稳定的范围大，则藉由一第一预先决定增量以调整曝光时间往后推移。而若亮度比稳定的范围小，则藉由一第二预先决定增量以调整曝光时间往前推移；以及，一第四装置，上述第四装是决定是否往后推移或往前推移的曝光时间的调整比一预先决定门限大，并且如果是，则：若曝光时间是往后推移调整，则增加影像感测器的增益，若曝光时间是往前推移调整，则减少影像感测器的增益。

附图说明：

本发明的较佳实施例将于下述说明中辅以下列图形做更详细的阐述：其中

图1所示为显示本发明的一互补式金氧半导体影像感测器的示意图。

图2所示为显示本发明的方法的流程图。

具体实施例描述

在接下来的描述中，提供了许多的具体的详细说明以提供对于本发明的实施例的一个完整的了解。然而，对于一个熟知习知技术的人而言，没有一个或更多个具体的详细说明，或者是有其他方法、构成要素等，本发明都可以被实施。在其它例子中，熟知的结构或动作不加以显示或详细描述以避免模糊了本发明不同实施例的观点。

整个说明书中所提及到的“一个实施例”或“一实施例”是意味着：关联着一实施例中所描述的一个特殊的特征、结构或特性是包括在至少一个本发明的实施例中。因此，在整个说明书不同地方中所出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”的句子不必然是指向相同的实施例。此外，上述的特殊的特征、结构或特性也可能以任何的方式而结合在一个或多个实施例中。

请参阅图一，其为显示本发明的互补式金氧半导体影像阵列101的结构。上述影像阵列101包括一矩形矩阵象素(pixels)103。上述在水平或x-轴方向的像素数目与在垂直或y-轴方向的像素数目，构成了上述影像阵列101的解析度。在一垂直行中的每一个上述像素103安排它的信号到一单一电荷放大器105。

从上述像素103取回的信息是根据已知的光栅扫描技术。特别的是，一列的像素103是依序从左到右扫描。然后，下一列也以这种方式扫描，直到依序从上到下的所有的列扫描完成为止。在上述整个阵列101的每一个完全扫描的末端，一预先决定时间的垂直消隐期间发生，直到光栅扫描图案被重复。这种扫描方式是依循NTSC的扫描方案。然而，对于其它应用，不同的读出协议可能被依循。传统的控制电路系统是设计以这种方式依序操作读出像素103。

每一个像素被扫描后，从像素来的信号是提供到那一行的电荷放大器105。结果，电荷放大器105相继地接收信号。然后，从电荷放大器105相继接收到的信号前进到一第二级放大器107，上述放大器可以放大信号使得信号可以进一步继续进行。在不同实施例中，上述行放大器或第二级放大器可能被删除。上述行放大器或第二级放大器的增益可能选择性随着需要而被增加或减少。上述像素103、放大器105与107的读出以及下述的计算与程序可以由一处理器111来执行。

如上所述，影像感测器的一重要功能在于能够自动地控制影像感测器的增益与曝光时间，以补偿正在变化的光线情况。对于前述补偿正在变化的光线情况的想法是涉及到像素输出信号大小的简单监控，并且若低于一门限，则增加曝光时间或增益，而如果高于一门限，则减少曝光时间或增益。

根据本发明，曝光时间/增益的增加或减少的量是随着不同的因素而改变的。尤其是，大部分影像感测器是所谓的行对行曝光元件。在这一些型态的影像感测器中，每一列的影像感测器开始在一不同的瞬间曝光循环(也被视为一整合循环(integration cycle))。举一个例子而言，参考图1，上述影像阵列101的第一列109-1开始曝光到入射光(典型地是在一重开操作之后)。一短暂时间之后，上述影像阵列101的第二列109-2开始曝光到入射光，也是在一种重开操作之后。上述的程序继续直到所有的列已经曝光到入射光为止。重要需注意的是，第一列109-1的曝光时间将持续一段时间，并且直到许多随后的列已经开始曝光运作时才完成。

事实上，一列的曝光时间通常被用来测量以作为开始曝光运作的一些列的曝光时间。举一个例子，一列的曝光时间可能被用来测量以作为16列或20列的曝光时间。换句话说，对于任何列的总曝光时间是16或20随后的列的开始曝光所花的时间。

在一特定数字的例子中，假定上述影像阵列101具有640行与480列(VGA形式)。在每秒30个帧中，一个帧必须在大约每一0.033秒时就被抓取。更进一步说，上述影像阵列101必须在大约每68微秒(0.033秒/480列)就开始一曝光运作。然后，68微秒是非常足够的曝光时间去抓取足够的入射光。事实上，他可能花了一毫秒曝光时间的数量级(order)，就可以产生一有用的输出信号。因此，从一开始曝光到曝光完成的时间，上述影像阵列101的16或更多列已经开始这曝光程序。

如上所述，曝光时间量的测量大半是由一计时器所完成，而不是由一已经开始曝光程序的计算列数目的计数器。上述“曝光列计数”这个词在这里是用来描述曝光时间的，而上述曝光时间是由列的数目来测量的。如此，如果曝光时间被更正，则曝光列计数也必须更正。

如果上述曝光列计数对于一典型的光强度在名义上是设定在16列，并且如果上述影像阵列101移动到一相对的更亮环境，则上述曝光列计数将被减少以减少曝光时间。然而，上述曝光列计数的减少仅能够在“整列”中被完成，例如：上述曝光列计数不能从16列到15.34列去进行，而仅能到15列。

进一步说，利用来决定是否曝光时间或增益应该被调整的方法与演算法是很多与变化的。举一个例子，由Dong公开的美国第5,734,426号专利让渡给本发明的受托人，其中显示了一调整曝光或增益的方法。如另一个例子，于2001年十一月七日提出申请的我们的共同未决专利申请案，其名称为“于互补式金氧半导体影像感测器中快速自动曝光或增益控制的方法”，此处并入参考案并且让渡给本发明的相同的受托人，其揭露了另一技术。在任何事件中，对于决定何时调整曝光时间或增益的不同的方法是可能的。一般而言，这些方法试图要维持从上述像素所输出信号的平均值在一相对窄范围之内，例如：V_HI与V_L0之间。上述窄范围也被视为一“稳定范围”，此处没有进一步调整曝光时间或增益的需要。

从一16曝光列计数到一15曝光列计数的改变导致一曝光时间减少大约6.7％。在许多例子中，这相对大量的百分比改变导致了一在帧曝光时间或增益中的“过调”。当利用连接一自动曝光控制演算法时，这过调将使得下一个影像落在上述稳定范围之外。接下来的，曝光时间或增益的调整可能会导致在其它方向的一超越。这程序将导致上述影像的闪烁不定。

本发明结合控制了曝光时间的调整与增益的控制，以提供从变化的光线条件中影像的一平滑转变。本发明的方法显示于图二中。一般而言，根据本发明，如果曝光时间的改变没有大于上述稳定范围的大小，则上述曝光列计数将以一整数值增加或减少。然而，如果由于在曝光列计数中的一列之一增加或减少而产生的曝光时间的改变，是大于上述稳定范围的大小，则上述影像感测器的增益控制将被修正以限制曝光时间的改变。

正如一个例子，在一实施例中，上述稳定范围大约为总信号范围的1/16(或大约6.25％)。值得注意的是，上述稳定范围对于一特别的影像感测器而言，将根据一些应用与特定型态的影像感测器而改变。上述总信号范围的1/16的稳定范围大小仅是一范例。因此，如果信号范围是0到1.0，则稳定范围将介于0.46875与0.53125之间，结果稳定范围的大小为0.0625。假设上述曝光列计数是20，并且决定曝光时间降低为一曝光列计数19。结果导致一5％的曝光时间的减少。这曝光时间的百分比减少是小于稳定范围的大小的(6.25％)。因此，在这种情形中，曝光时间的改变将无法在任何环境之下使上述影像落在稳定范围之外，结果预防了超越与闪烁不定的问题。

然而，在一第二个例子中，假设上述曝光列计数是15，并且决定曝光时间降低为一曝光列计数14。结果导致一6.667％的曝光时间的减少。这曝光时间的百分比减少是大于稳定范围的大小的(6.25％)。因此，在这种情形中，曝光时间的改变将在某此环境之下使上述影像落在稳定范围之外，结果导致了超越与闪烁不定问题的可能性。

正如图二所示，本发明的方法透过抓取一第一影像而开始于标号201。在标号203中，上述第一影像被分析以决定上述影像是否落在上述稳定范围之内。如上所述，这程序可能是根据上述美国第5,734,426号专利或共同未决专利申请案所揭露的方法。在上述分析完成之后，要决定是否曝光时间需要增加或减少。如果不用，则影像感测器继续抓取标号201的影像。

然而，如果曝光时间需要调整，在标号205中，则上述曝光列计数需适当地调整，典型是增加一列或减少一列。接着，在标号207中，决定是否曝光列计数的调整结果，将透过超过一门限值来改变曝光时间(在一百分比基础之上)。在一实施例中，上述门限量大约等于上述稳定范围的大小。

如果调整结果不能透过超过上述门限量来改变曝光时间，则下一个影像在标号201中被抓取。然而，如果调整结果可以透过超过上述门限量来改变曝光时间，则对于上述放大器增大之一调整即可以被完成，如标号209。因此，调整上述曝光时间与增益的控制，可以确保上述影像亮度能有的一个平滑的调整。

在一实施例中，当上述曝光列计数减少，增益的量是增加的，上述增加是透过带给全部的有效曝光以及对于先前曝光列计数与所减少的曝光列计数之间的某些增益测量的一个量而来。类似地，当上述曝光列计数增加，增益的量是减少的，上述减少是透过带给全部的有效曝光以及对于先前曝光列计数与所增加的曝光列计数之间的某些增益测量的一个量而来。

在一实施例中，当上述曝光列计数减少，增益的增加是取决于某些目前曝光列计数的百分比。举一个例子，如果上述曝光列计数是介于9与16之间，增益将增加一最大值6.25％。如果上述曝光列计数是介于5与8之间，增益将增加一最大值12.5％。如果上述曝光列计数是3或4，增益将增加一最大值25％。如果上述曝光列计数是2，增益将增加一最大值50％。前面所述的仅是如何藉由增益控制的调整以达到增加由自动化调整的影像亮度的平滑度的一个例子。

再者，值得欣慰的是上述实际的计算与判断都可以由处理器111来控制并且在处理器111之中来处理。

对熟悉此领域技艺者，本发明虽以一较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神。在不脱离本发明的精神与范围内所作的修改与类似的安排，均应包含在下述的申请专利范围内，这样的范围应该与覆盖在所有修改与类似结构的最宽广的诠释一致。因此，阐明如上的本发明一较佳实例，可用来鉴别不脱离本发明的精神与范围内所作的各种改变。

Claims (10)

1.一种自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，该影像感测器包括一矩阵像素，该方法包括：

决定是否一由该影像感测器所提供的第一影像具有一全部的亮度(overall brightness)落在一稳定的范围内；

如果该第一影像的该亮度落在该稳定的范围内，则保持该影像感测器的该曝光时间与增益以捕捉一随后的第二影像；

如果该第一影像的该亮度落在该稳定的范围外，则：若该亮度比该稳定的范围大，则藉由一第一预先决定增量以调整该曝光时间往后推移，而若该亮度比该稳定的范围小，则藉由一第二预先决定增量以调整该曝光时间往前推移；以及

决定是否该往后推移或往前推移的曝光时间的该调整比一预先决定门限(predetermined threshold)大，并且如果是，则：若该曝光时间是往后推移调整，则增加该影像感测器的该增益，若该曝光时间是往前推移调整，则减少该影像感测器的该增益。

2.如权利要求1所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该预先决定门限(predetermined threshold)实质上是一该稳定的范围的大小。

3.如权利要求1所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该曝光时间是被测量以作为一曝光列计数(row count)。

4.如权利要求3所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该第一预先决定增量与该第二预先决定增量是一列。

5.如权利要求1所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该增益的增加量是取决于该曝光时间的减少百分比，而该增益的减少量是取决于该曝光时间的增加百分比。

6.一种包括一矩阵像素、一可调曝光时间与增益的影像感测器，该影像感测器包括：

-第一装置，该第一装置决定是否一由该影像感测器所提供的第一影像具有一全部的亮度落在一稳定的范围内；

-第二装置，该第二装置如果该第一影像的该亮度落在该稳定的范围内，则保持该影像感测器的该曝光时间与增益以捕促一随后的第二影像；

-第三装置，该第三装置如果该第一影像的该亮度落在该稳定的范围外，则：若该亮度比该稳定的范围大，则藉由一第一预先决定增量以调整该曝光时间往后推移，而若该亮度比该稳定的范围小，则藉由一第二预先决定增量以调整该曝光时间往前推移；以及

-第四装置，该第四装置决定是否该往后推移或往前推移的曝光时间的该调整比一预先决定门限大，并且如果是，则：若该曝光时间是往后推移调整，则增加该影像感测器的该增益，若该曝光时间是往前推移调整，则减少该影像感测器的该增益。

7.如权利要求6所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该预先决定门限(predetermined threshold)实质上是一该稳定的范围的大小。

8.如权利要求6所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该曝光时间是被测量以作为一曝光列计数(row count)。

9.如权利要求8所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该第一预先决定增量与该第二预先决定增量是一列。

10.如权利要求6所述的自动控制一影像感测器的曝光时间与增益的方法，其中该增益的增加量是取决于该曝光时间的减少百分比，而该增益的减少量是取决于该曝光时间的增加百分比。

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