TW589902B - Method of fast automatic exposure or gain control in a MOS image sensor - Google Patents

Description

589902 修正 曰 五、發 毛明所屬之技術領域： 本發明與一種互插—、人k 有關，特別是有關於fit氧半導體（cm〇s)影像感應器 増益之方法。 、種控制一影像感應器之曝光時間或 術 先前技 革命：J ί :電：2 : ΐ迅速發展’許多不同領域的已有, 通信與影；舉二包括：電腦、控制系統、電ΐ 電荷耦合元件（旦已經被證明它的製造價格比 於某此麇裝置來得低。更進一步來說，縣 良的：應用上’互補式金氧半導體(_)的性能是比較優對 以做補式金氧半導體（CM〇S)元件中的圖素（Pixel) τ 的更小，以媒供^一 fcl· Φ /v - 1 )可 更高的鉉4 電何耦合兀件（CCD)影像残庫哭

:的解析度。此外’以邏輯需要而處理之訊號C 曰。影像電路之旁’在這樣情況之下，一個單—的：二 日日月（integrated chip)可以形成一個完整的單獨广' 口 stand alone)影像裝置。 、 在1^从3 3“1113等人於1 9 9 3年1£0^1的93-57 5的文章中从、、 了”利用互補式金氧半導體（CMOS)製程製造的四彳田述 ___;__ 刀〈一英 589902 案號 91132215 #：/1- 曰 修正 五、發明說明（2) 寸格式250K圖素放大的金氧半導體（M0S)影像感應益’ 以及Ozaki等人於1991年5月在第38卷第5期IEEE電子το件雜 誌上發表的文章，，一種低雜訊行放大M0S成像元件’’中詳細介 紹了金氧半導體（M0S)成像元件的實例。另外’ Denyei^ 美國第5 3 4 5 2 6 6號專利"矩陣影像感應器晶片”也描述了一種 金氧半導體（M0S)影像感應器。現在可以從多個製造商獲 得互補式金氧半導體（CMOS)影像感應器，包括本發明的 受讓人OmniVisio η之技術公司。 、

利用互補式金氧半導體（ 像的主要構成成份是圖素。圖 了由上述成像元件所產生的影 導體（CMOS)影像感應器之上 成電流信號之半導體元件。每常小。 CMOS)影像感應器形成的影 素的數量、大小與間隔決定 像解析度。一苴補式金氧半 述圖素是將入射光光子轉換 個圖素產生的信號一般都非 互補式金氧半導體（CMOS)影偾鴻麻哭"1处 的一侗舌至吏奴θ ^〜像感應裔必須能α ^ 個重要參數疋母個圖素在入射 於照相膠捲的曝光日卑η ^ _九中的*先時間。|

整，以捕俨去日i 個圖素的曝光時間必須進斗

照條件的差別。曝光睥具」t至内先照條件和室夕 失丰鈷洛e九時間太長會導致影像過於明宾，少 ^員色。相反地，曝光時間二小 辨別。 A a虻双〜徕太暗而I

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益。通過許多方式 述曝光時間。通過 產生的上述影像可 ，上述增益的控制基本上類似於控制上 改變一樣或者兩樣，由上述影像感應器 以被最佳化到最適合觀看。 美國第5734426號專利描述了控制曝光時間的一種習 技術方法儘管適合於許多應用，但是曝光時間能夠自 動改變的速度對於某些特定應用是不夠的。例如，對於汽 車應用，汽車可能從陽光駛入黑暗中（例如、隧道中），' 然 後又回到陽光中，上述影像感應器能夠迅速地調節它的曝 光時間非常重要。 發明内容： 本發明之目的在於提供一種自動控制一影像感應器曝 光時間之方法，上述影像感應器包括一矩陣圖素（ma t r i X of pixels)，上述方法包括：決定上述矩陣中輸出一圖 素信號的強度大於一 VHIGΗ值之圖素的個數NW;決定上述 矩陣中輸出一圖素信號的強度小於一 VL0W值之圖素的個數 ΝΒ;決定上述矩陣中輸出一圖素信號的強度大於一 VSHIGH 值之圖素的個數NVW ;決定上述矩陣中輸出一圖素信號的 強度小於一 VSL0W值之圖素的個數NVB ;決定NW是否大於一 第一預定高門檻K W，如果是：則決定Ν V W是否大於一第二 預定高門檻KVW，如果是：則降低上述曝光時間一第一減 量百分比Ρ1，如果不是：則降低上述曝光時間一第二減量 百分比Ρ2 ;以及，決定ΝΒ是否大於一第一預定低門檻ΚΒ，

第7頁 589902 案號 91132215 JLΜ 曰 五、發明說明（4) 如果是··則決定NVB是否大於一第二預定 是：則增加上述曝光時間一第一增量百分低比門檻KVB，如果 ••則增加上述曝光時間一第二增量百分比 Ρ3，如果不是 Ρ4 本發明之另一目的在於提供一種自動 器放大增益之方上述影像感m括感 述方法包括··決定上述矩陣中輸出一圖素信號的产大於 一 VHIGH值之圖素的個數NW;決定上述矩陣中輸出一&圖素、 信號的強度小於一 VL0W值之圖素的個數NB ;決定上述矩陣y 中輸出一圖素信號的強度大於一 VSHIGH值之圖素的個數 NVW ;決定上述矩陣中輸出一圖素信號的強度小於一 VSL〇W 值之圖素的個數NVB ;決定NW是否大於一第一預 KW，決定Nvw是否大於—第二預定高^二 如f疋·則降低上述放大增益一第一減量百分比P1，如果 不疋·則降低上述放大增益一第二分 決定NB是否大於一第—苑—你M1θ以，以及， NVB是否大於一帛一箱^疋低門植〇’如果疋：則決定 放大增益一第ΛγΛ ΐκνΒ，如果是：則增加上述 大增益一 $ 1ΐ刀比果不疋.則增加上述放 9血 弟一增里百分比Ρ4。 實施方法： 提供= ί t，提供了許多的具體的詳細說明以 個热知習知技術的人而t，沒有一個或更多個具體對的於

589902 月 曰 修正 案號91吻215 五、發明說明（5) |洋細說明’或者是有盆你古、1 I以被實施。在其它方ΐ:構成要素等，本發明都可 丨或詳細描述以避免模糊；本：知的結構或運作不加以顯示 I 、相了本發明不同實施例的觀點。 整個說明書中所提及到的，，一 embodiment) ’’或”一實施例 r ^ 〇ne j著··關聯著-實施例中所二(：广°心_”是意謂 特性是包括在至少一個：個特殊的特徵、結構或 U明倉π η #古士個本^明之貫施例中。、因此，在整個 說月f .不二“中所出現的"在一個實 |之句子不必然是指向相同的實/ (。an embodinient) H 特徵、钍槿戎桩地丄 的貫知例。此外，上述之特殊的 個實施例中。 仃的方式而結合在一個或多 請參考圖一，一互補式金丰 广丄之，結構中包括一矩形矩陣圖*1〇3:上忍 =量，：成了上述成像陣列，方垂向直了 103都將它的信號發送給-單-的電荷放 從圖素103所提取之資訊係採用眾所 raster· Scanning)技術。具體而言，—田 從上到下依j掃描完所有的歹^^^次完整地掃描完 第9頁 589902

____案號 91132?】上 五、發明說明（6) 個陳列101的時候’就進入預定長度時間的—垂周 期（，方了:〇d)，i㈣光柵掃描W ^ 控 土.达種％描方式係仿傚NTSC之掃描方案。傳的 制電路此夠按照這種方式依序讀取上述圖素1 〇 3。 掃描母一個圖素的時候，將圖素信號提供給那一行的 電骑放大器105。如此，電荷放大器1〇5按順序接收信號。 來自上述電荷放大器1 05之順序信號被發送到一第二級放 大器（second-stage amplifier) 107，它對信 放 大，因而能夠對它們進行進一步的處理。在各種實施例中 ，玎以省去上述行放大器或省去上述第二級放大器。 本發明利用每一個圖素之放大信號的幅度來決定每個 圖素的曝光時間。一般而言，每個圖素的曝光時間可以通 過控制上述光柵掃描控制演算法來改變。 本發明的方法在圖二中說明。雖然下面描述本發明的 方法的時候涉及到了曝光時間的控制，但是這一方法同樣 能夠很好地用於控制增益。在方框2 0 1裏，決定上述陣列 中一圖素之一圖素信號的幅度。接著，在方框2 〇 3裏，決 定上述圖素信號是否大於一預定值VHIGH。一般情況下， 上述圖素#號在〇· 3伏特到1 · 〇伏特之間。這個電壓是由 NTSC電視標準所設定的。但是，上述圖素信號的幅度可以 隨著使用的圖素的特定類型、列放大器或第二級放大器的 放大量與各種其他因素之改變而改變。因此，這裏給定的

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確切電壓值僅僅是用作實例，不應該理解為對電壓值進行 在一個實施例中，VHIGH的一典型值是〇·8伏特。如果 上述圖素信號的幅度大於VHIGH，那麼在方框2〇5中，一計 數器NW加1。在加1以後，下一個步驟按方框2丨丨執行。° 然而，如果在方框20 3中，上述圖素信號不大於VHIGH ，那麼，在方框20 7中，決定上述圖素信號是否小於另一， 個預定門檻值VLOW。在一個實施例中，VLOW是〇 5伏特。 如果上述圖素信號小於VLOW，那麼在方框2〇9中i 一計數 器Ν Β加1。在方框2 0 9以後，按方框2 1 1執行控制。 雖然方框20 3、2 0 5、20 7與20 9之程序是對一個圖素信 號進行處理’但是相同的圖素信號也要相對於一第二組，， 超"門檻（在門檻名稱中採用符號” S”）被分析。具^而言 ，在方框2 0 2中，決定上述圖素信號是否大於一預定值ϋ VSHIGH。VSHIGH的典型值是〇· 9伏特。如果上述圖素信號 的幅度大於VSHIGH’那麼在方框204中，一計數器w力口 1 。加完1以後，下一個步驟執行方框2 1 1。 然而，如果在方框2 0 2中，上述圖素信號不大於 VSHIGH，那麼在方框2 0 6中，決定上述圖素信號是否小於 另外一個預定門檻值VSLOW。在一個實施例中， 0· 4伏特。如果上述圖素信號小於VSLOW，那麼在方框208

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中 一計數器NVB加1 在方框2 0 8以後， 修正_ 按照方框2 1 1進行 #夕主在方框211中，決定這一幅（frame)中是否有 更夕的圖素需要進行分析。如果是，就重復方框2〇1〜 2 0 9中的處理。應該指出，沒有必要分析一幅中的所有上 述圖素。事貫上，可以只分析這一幅中上述圖素的一個子 集。然而，在一較佳實施例中，所有上述圖素都要被分析 。因此，如果這一幅中的整個矩陣圖素都已經分析完，那, 麼在方框2 1 3中，決定上述計數器NW是否大於一預定門檻 值KW。一般而言，KW是這樣一個數，它是上述成像陣列中 圖素總數的大約2 5 %。 如果N W不大於K W ’那就不用縮短曝光時間，而控制就 進到方框221 °然而，如果NW大於KW，就需要縮短上述曝 光時間。上述計數器NW之記錄意味著輸出強信號的圖素之 數量’它對應於一投射光的大小。如果有大量的圖素輪出 強信號’這就說明曝光時間過長。在這種情況下，應該縮 短曝光時間。 在習知技術中，在決定了 NW大於KW以後，按一預先決 定的縮短量來縮短上述曝光時間。然而，如果上述預先決 定的縮短量太短，在正確地曝光以前會採取幾幅影像。然 而，如果上述預先決定的縮短量太大，曝光時間的減量就 太大(overshoot) ’視訊流(video stream)可能會出

第12頁 589902 年_η 修正

SS^U32215 五、發明說明（9) 現"跳躍n ( j umpy) 術 無論如何，為了改進現有技術中的自動曝光 根據本發日月，採取一第二步分析以 時= 當減量。具體而言，在方框215中，決定一計數器字二，適 —個門檻值Kvw。如果是，就在方框217中，將上 預定減量被定義於：：：：睥個貫施例中，上述第-而’如果上述計數百分比·（Ρ1) °然 219中，將上述曝光時間減少一第二 % / Ϊ r ΐοί Γ 夏被定義於上述曝光時間的一百 分比（Ρ2)。典型情況下，ρ 是5m Ρ2是6%。 P1大於…在-貫施例中，ρι mw總二言之」如.果有大量㊅圖*之輸出信號電平較強 一 )if應該縮短上述曝光時間。下一個步驟就決 疋上述曝光時間應該縮短p2。為了進行這一分 利用上述之計數器NVW(它記錄—信號高於一"超"門檻之 圖素的數量）\具體而言，如果上述計數器NVW大於一門 檻數KVW，就保證上述曝光時間縮短更多。如果上述計數 器NVW不大於KVW，上述曝光時間就縮短得較少。 採用類似的過程來延長上述曝光時間。因此，如果 在方框2丨3中，Μ不大於KW，那麼在方框221中，決定上述 計數器ΝΒ是否大於一預定門檻值ΚΒ。一般情況下，〇是

上述成像陣列中圖素總數的75%。 如果ΝΒ不大 如果ΝΒ大於ΚΒ，就需要延長上^暖二；光時間。然而， ΝΒ表示輸出信號幅度低之圖素‘ 、2二上述計數器 i很少。如果有大量圖素的輸出信；幅；：：： = 光時間可能太短…種情況下很丄 迷曝光時間。 思A、长上 時ηΠ知”中，決定了 NB大於KB以後，將上述曝光 夺間預疋的增量1而，如果上述預定的增量太 二就南要花費幾幅影像的時間才能夠將上述曝光時間 凋整好。然而，如果上述預定的增加量設定得太大，上 述曝光時間的增加量就會過頭，視訊流可能出現"跳躍" 〇 在任何情況下，為了改進上述自動曝光修正技術， 根據本發明，進行一第二步分析來決定上述曝光時間之 ，當的增量。具體而言，在方框22 3中，決定上述計數 器NVB是否大於一門檻值KVB。如果是，那麼在方框 $2 5中’將上述曝光時間延長一第一預定增量。在一實 &例中’上述第一預定增量被定義於上述曝光時間的 —個百分比（P3)。然而，如果上述計數器NVB不大於 Η捏值KVB ’那麼在方框22 7中，將上述曝光時間增加 —第二預定減量。在一實施例中，上述第二預定減量被

第14頁 589902 案號 91132215 五、發明說明（11) 定義於上述曝光時間的一個百分比（p4)。一般情況 下’ P3大於P4，而在一實施例中，P3是100%，？4是6% 總而言之，如果有大量圖素之輸出信號電平較低 (NB>KB)，就應該延長上述曝光時間。下一個步驟決 定上述曝光時間的延長量P 3或P 4。對於這一分析，採用 上述§十數N V B (它測里輸出信號幅度低於一，，超"門檻 的圖素的數量）。具體而言’如果上述計數、器NVB大於 一門捏數K V B ’ 一個大增1之上述曝光時間就得到了保 證。如果上述計數器NVB不大於KVB，就給上述曝光時間 增加一個小增量。 顯然圖二所顯示之方法通常都用於上述影像感應器 積體電路。具體而言，多數影像感應器晶片都包括一感 應器陣列與處理器電路。在一實柄中，上述處理器電路 可以被編程以執行上述圖二中所示的詳細分析。 對熟悉此領域技藝者’本發明雖以一些較佳實例闡 明如上，然其並非用以限定本發明精神。例如，以上詳 細描述說到的是調整曝光時間，但是上面描述的技術同 樣可以用於增益控制。例如，不是延長與縮短曝光時間 ’而是相應地提高或降低增益。此外’如果需要還可以 同時延長曝光時間與提高增益。在不脫離本發明之精神 與範圍内所作之修改與類似的安排，均應包含在下述之 申請專利範圍内，這樣的範圍應該與覆蓋在所有修改與

第15頁 589902 _案號 91132215 五、發明說明（12) 曰 修正 類似結構的最寬廣的詮釋一致。因此’闡明如上的本發 明一些較佳實例，可用來鑑別不脫離本發明之精神與範 圍内所作之各種改變。

第16頁 589902 _案號 91132215_年月日_j|^L·_ 圖式簡單說明 圖式簡單說明： 本發明的目的、特徵、優點與較佳實施例將於往後 之說明文字中輔以下列圖形做更詳細的闡述： 圖一所顯示為一互補式金氧半導體（CMOS)影 像感應器的一示意圖。 圖二所顯示為根據本發明之方法之一流程圖。 圖示符號對照表： 成像陣列101 矩陣圖素1 0 3 電荷放大器1 0 5 第二級放大器（second-stage amplifier) 107 方框2 0 1 方框2 0 2 方框2 0 3 方框2 0 4 方框2 0 5 方框2 0 6 方框2 0 7 方框2 0 8 方框2 0 9

第17頁 589902 案號 91132215 年月曰_修正 圖式簡單說明 方框2 11 方框2 1 3 方框2 1 5 方框2 1 7 方框2 1 9 方框2 2 1 方框2 2 3 方框2 2 5 方框2 2 7

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Claims (1)

1. 589902 _案號91132215_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 申請專利範圍： 1 · 一種自動控制一影像感應器曝光時間之方法，該影像感 應器包括一矩陣圖素，該方法包括： 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度大於一 VHIG Η值之 圖素的個數NW; 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度小於一 VL0W值之 圖素的個數ΝΒ ; 、 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度大於一 VSHIGH值之> 圖素的個數NVW; 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度小於一 VSL0W值之 圖素的個數NVB ; 決定NW是否大於一第一預定高門檻KW，如果是：則 決定NVW是否大於一第二預定高門檻KVW，如果是：則降低 該曝光時間一第一減量百分比Ρ1，如果不是：則降低該曝 光時間一第二減量百分比Ρ 2 ;以及 決定ΝΒ是否大於一第一預定低門檻ΚΒ，如果是：貝|J 決定NVB是否大於一第二預定低門檻KVB，如果是：則增加 該曝光時間一第一增量百分比P 3，如果不是··則增加該曝 光時間一第二增量百分比P4。 2 ·如申請專利範圍第1項之自動控制一影像感應器曝光時 間之方法，其中該VSL0W小於該VL0W，並且其中該VSHIGH 大於該VHIGH。

   第19頁 589902 _案號 91132215 六、申請專利範圍 曰 修正 時 3 ·如申請專利範圍第1項之自動控制一影像感應器曝光 間之方法，其中該第一減量百分比P1大於該第二減量百 分比P 2。 4 ·如申請專利範圍第3項之自動控制一影像感應器曝光時 間之方法，其中該P1大約是50%，而該P2大約是6%。 5 ·如申請專利範圍第1項之自動控制一影像感應器曝光 時間之方法，其中該第一增量百分比P3大於該第二增量 百分比P 4。 6 ·如申請專利範圍第5項之自動控制一影像感應器曝光時 間之方法，其中該P3大約是100%，而該P4大約是6%。 7 ·如申請專利範圍第1項之自動控制一影像感應器曝光 時間之方法，其中KB與KW的該預定值大約是該矩陣中圖素 總數的7 5 %與2 5 %。

   8· —種自動控制一影像感應器放大增益之方法，該影像感 應器包括一矩陣圖素，該方法包括： 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度大於一 VHIGΗ值之 圖素的個數NW ; 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度小於一 VLOW值之

   第20頁 589902 --- 案號 91132215_年月 q 修je__ 六、申凊專利範圍 圖素的個數N B ; 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度大於一 VSHIGH值之 圖素的個數NVW; 決定一該矩陣中輸出一圖素信號的強度小於〆VSL〇w值之 圖素的個數NVB ; 決定N W是否大於一第一預定高門檻κ f，如果是：則 決定NVW是否大於一第二預定高門檻kvw，如果是：則降低 該放大增益一第一減量百分比P1，如果不是·：則降低該放 大增益一第二減量百分比P2 ;以及 ’ 決定NB是否大於一第一預定低門檻kb，如果是：則 決定NVB是否大於一第二預定低門檻KVB，如果是：則增加 該放大增益一第一增量百分比P3，如果不是：則增加該放 大增益一第二增量百分比P4。 9 ·如申請專利範圍第8項之自動控制一影像感應器放大 增益之方法，其中該VSL0W小於該VL0W，並且其中該VSHIGH 大於該VHIGH。 I 〇 ·如申請專利範圍第8項之自動控制一影像感應器放大 增益之方法，其中該第一減量百分比P1大於該第二減量 百分比P2。 II ·如申請專利範圍第1 〇項之自動控制一影像感應器放大 增益之方法，其中該P1大約是50%，而該P2大約是6%。

   第21頁 589902 _案號 91132215 六、申請專利範圍 曰 修正 1 2 ·如申請專利範圍第8項之自動控制一影像感應器放大 增益之方法，其中該第一增量百分比Ρ3大於該第二增量百 分比Ρ4。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之自動控制一影像感應器放大 增益之方法，其中該Ρ3大約是100%，而該Ρ4大約是6%。 1 4 ·如申請專利範圍第8項之自動控制一影像感應器放大/ ' 增益之方法，其中ΚΒ和KW的該預定值大約是該矩陣中圖素 _ 總數的7 5 %與2 5 %。

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