專利名稱：在圖象采集中用以優(yōu)化曝光時間的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以將光學圖象轉(zhuǎn)換成電信號的圖象傳感器，確切地說涉及在圖象采集中用以優(yōu)化曝光時間的方法和設(shè)備。
圖象傳感器被用來將聚焦在傳感器上的光學圖象轉(zhuǎn)換成電信號。圖象傳感器一般包括一組光檢測器陣列，當圖象被聚焦在所述陣列上時，每個光檢測器產(chǎn)生一個與撞擊到該光檢測器上的光強相應的信號。于是就可以應用這些信號，例如，在一監(jiān)控器上顯示相應的圖象，或換句話說用以提供有關(guān)上述光學圖象的信息。
一種非常通用的圖象傳感器的類型是電荷耦合器件(CCD)。集成電路芯片包含有CCD圖象傳感器時由于需要特殊的處理工藝，而只有相對低的成品率并且是很昂貴的。所述CCDs還消耗相對較大的功率。存在其他眾所周知的種種缺點。
一種便宜得多的圖象傳感器的型式是應用互補金屬-氧化物-半導體晶體管(CMOS)工藝所構(gòu)成的集成電路。在這種CMOS型圖象傳感器中，將光電二極管或光敏晶體管(或其他適合的器件)用作光檢測元件，在這種場合上述元件的電導率相應于撞擊到元件上的光強。由光檢測元件如此生成的可變信號是一種模擬信號，其大小大致上與撞擊在元件上的光量(在某一范圍之內(nèi))成正比。
已知將這些光檢測元件構(gòu)成借助行和列的可尋址的兩維核心陣列。一旦某一行元件被尋址，來自該行中每個光檢測元件的模擬信號就被耦合到陣列中相應的各列。接著可應用模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將各列上的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便在圖象傳感器芯片的輸出端僅提供數(shù)字信號。
現(xiàn)有技術(shù)僅論述到圖象傳感器陣列的速度和縮減尺寸。授予Fowler等人的美國專利第5,461,425號公開了象素級A/D轉(zhuǎn)換器的應用，以加速光學圖象到數(shù)字數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換。授予Fowler等人的美國專利第5,801,657號公開了一種用于同時完成位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，它也加速光學圖象到數(shù)字數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換。然而，現(xiàn)有技術(shù)中都未曾論述到在圖象傳感器陣列的某些區(qū)域中的一些光檢測器，在圖象傳感器陣列中的其余光檢測器達到飽和之前已達到飽和的問題。這導致圖象傳感器陣列有過量或不足曝光的種種問題。
于是，就有必要提供一種方法和設(shè)備，以便在曝光期間優(yōu)化圖象傳感器陣列中象素區(qū)域的曝光時間。
本發(fā)明的主要目的是提供一種在曝光期間優(yōu)化圖象傳感器陣列中象素區(qū)域的曝光時間的方法。該方法和現(xiàn)有技術(shù)大不相同，它要求二度曝光以便最佳地捕獲一圖象。首次曝光是確定最佳曝光參數(shù)，而第二次曝光則是應用最佳設(shè)定進行實際圖象的捕獲。
鑒于上述目的，本發(fā)明的方法是利用時間間隔的采樣以優(yōu)化圖象采集系統(tǒng)的曝光。通過一彩色分選器傳送圖象傳感器陣列中由象素生成的數(shù)字信號，以便為每一象素萃取發(fā)光值。并將這些發(fā)光值加以統(tǒng)計分析，以便判定每一象素的飽和度。在本發(fā)明中的一個象素包含一光檢測器和一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。因為數(shù)字信號本來就與模擬信號相對的是由象素生成的，所以來自圖象傳感器陣列的數(shù)字信號的讀出能夠完成得非常迅速。這就使本發(fā)明的方法在一個曝光周期內(nèi)能夠多次間隔采樣。
在一個曝光周期內(nèi)，對圖象傳感器陣列按多次時間間隔進行采樣，以便判定每一象素的飽和度。一旦判定一象素已達到最佳飽和的上限，來自該象素的后繼數(shù)字圖象信號就不再進行記錄。這樣就保持最佳的數(shù)字圖象信號，是由象素正好在象素已達到飽和上限時所生成的。
上述有選擇地根據(jù)象素的飽和度終止數(shù)字圖象信號記錄的處理過程，能夠按各個別象素加以實現(xiàn)或按象素區(qū)域加以實現(xiàn)。
本發(fā)明的上述以及其他目的，特征和優(yōu)點通過下面對本發(fā)明最佳實施例的詳細介紹，連同參考附圖將會一清二楚，附圖中相同標號指的是相同部件，其中


圖1是說明本發(fā)明一實施例的方框圖；圖2是說明本發(fā)明另一實施例的方框圖；圖3是說明本發(fā)明第三實施例的方框圖；圖4示出在本發(fā)明中A/D轉(zhuǎn)換器輸入和輸出關(guān)系的圖形；圖5a是說明本發(fā)明用峰值統(tǒng)計方法的圖形；圖5b是說明本發(fā)明用平均值統(tǒng)計方法的圖形；圖5c是說明本發(fā)明用直方圖方法的圖形；圖6是說明本發(fā)明的時間間隔曝光的圖形；圖7是說明本發(fā)明方法的程序方框圖；雖然為了舉例說明起見，以下詳細說明包含有眾多細節(jié)，但是任何一個熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士將很清楚，對以下細節(jié)作出的種種變型和變化都是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的。因此，陳述本發(fā)明的下列最佳實施例，對申請專利的本發(fā)明沒有任何普遍性的損失同時也沒有強加于其上的限制性。
圖1顯示本發(fā)明的一個實施例。圖象傳感器陣列100包含數(shù)千個象素134，這些象素能夠被排列成行和列的兩維陣列的形式。
每一象素包含一個光檢測器和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。光檢測器可以是具有與撞擊在其上的光強成正比的電導率的任何器件。上述器件的實例是電荷耦合器件(CCD)和CMOS光敏晶體管。流經(jīng)光敏晶體管或光柵的模擬電流與撞擊在其基極上的光強成正比。
根據(jù)在授予Fowler等人的美國專利第5,461,425號和第5,801,657號中所公開的CMOS結(jié)構(gòu)，將完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路連接到每個光檢測器的輸出上，以便將代表撞擊在光檢測器上的光強的模擬信號轉(zhuǎn)換成等值的數(shù)字信號，后者可通過一數(shù)字信號處理器(DSP)加以處理或?qū)⑵浯鎯υ诖鎯ζ鲀?nèi)供稍后計算。
與CCD圖象傳感器相對的，與CMOS圖象傳感器有關(guān)的問題之一是它們的較低的動態(tài)范圍，也就是，基于CMOS的光檢測器趨向于非?？斓匦纬娠柡?，導致在圖象傳感器的某些區(qū)域中的過量曝光。如果是為了上述過量曝光而調(diào)整縮短曝光時間，則某些較弱光強的區(qū)域又可能會曝光不足。借助本發(fā)明解決了這一問題，假如當光檢測器首先達到某一預置的飽和上限時，就將來自光檢測器或光檢測器某一區(qū)域的信號存儲進存儲器，而其余尚未達到預置的飽和上限的光檢測器則仍繼續(xù)進行曝光，并將它們的信號在稍后時間讀進存儲器內(nèi)。因為較早地在光檢測器達到飽和之前存儲信號，這將確保高光強區(qū)域不會受到過量曝光，同時確保弱光強區(qū)域在將信號存儲進存儲器之前被曝光一較長的周期時間直到光檢測器有充分的飽和度。
將圖象傳感器陣列100連接到監(jiān)控單元112。監(jiān)控單元的目的是借助于信號110周期性地讀取光檢測器的數(shù)字圖象信號讀數(shù)，并借助信號114將所述讀數(shù)發(fā)送到彩色分選器116。彩色分選器應用濾色方案，例如RGB或LUV提供給光檢測器數(shù)字讀數(shù)，從而為每個光檢測器萃取一發(fā)光值，后者表明光檢測器的飽和度。
接著借助信號118將上述發(fā)光值發(fā)送到曝光控制器120。上述數(shù)字圖象信號也可以借助信號126被發(fā)送到存儲控制器128，以存儲進存儲器單元132內(nèi)。曝光控制器120通過發(fā)光值完成兩項解析。第一，它判定光檢測器是否已達到某一預先設(shè)定的飽和上限。應用上述預先設(shè)定的飽和上限來表明該光檢測器已接近飽和。例如，在一典型的8-比特發(fā)光值刻度上，假設(shè)特定光檢測器的飽和值是250，而預先設(shè)定的飽和上限被設(shè)定在245發(fā)光值。當所述光檢測器已達到該預先設(shè)定的飽和上限時，則控制器120將借助信號124對存儲控制器128指示，停止把來自上述光檢測器的后繼數(shù)字圖象信號寫入存儲器單元132內(nèi)。該光檢測器將繼續(xù)進行曝光，直到曝光周期結(jié)束為止。該光檢測器將被曝光超過其飽和點，但這將不會影響到由圖象傳感器陣列生成的最終的圖象。由該光檢測器生成的數(shù)字圖象信號超過預先設(shè)定的飽和上限范圍將不被寫入存儲器單元132內(nèi)，以便保存先前所存儲的信號。
第二項解析是曝光控制器120通過發(fā)光值來判定每個光檢測器接近預先設(shè)定的飽和上限的程度。舉例來說，假設(shè)再次將預先設(shè)定的飽和上限設(shè)定在245(就8-比特精度而言)，并進一步，假設(shè)由光檢測器的監(jiān)控單元采樣之間預設(shè)周期為100ms。如果光檢測器在最后一次采樣時有一發(fā)光值為240，在按100ms出現(xiàn)的下一次采樣時，它可能完全通過上述245發(fā)光值預先設(shè)定的飽和上限，甚至可能達到最高度的飽和。因此，對于接近預先設(shè)定的飽和上限的光檢測器來說，就有必要縮短下一采樣周期的時間。在以上實例中，可能需要與當前采樣相隔10ms時來完成下一次采樣。曝光控制器120借助信號122控制監(jiān)控單元112，使得接近預先設(shè)定的飽和上限的那些光檢測器按縮短的采樣時間間隔進行采樣。
上述處理過程持續(xù)進行，直到全部光檢測器都已達到預先設(shè)定的飽和上限為止，或直到預定曝光時間周期已結(jié)束為止。在存儲器132中的數(shù)據(jù)于是就能夠加以清除，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)送到永久性數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)供進一步處理用。圖象傳感器陣列接著就準備用于下一次的曝光。
圖2說明本發(fā)明的第二個實施例。在圖1示出的實施例中，對每個獨立的象素(光檢測器)在每個采樣周期就其飽和度加以分析，以判定是否已達到預先設(shè)定的飽和上限。具有高分辯率的圖象傳感器陣列一般包含2000×2000或更高的象素陣列。逐一地分析數(shù)千個象素對曝光控制器來說可能是非常繁重的。因而需要更大功率和更昂貴的曝光控制器。
另一方面，可將圖象傳感器陣列210分成像200,202,204,206這樣一類的多個區(qū)域。這些區(qū)域并不需要相同尺寸或形狀。光檢測器仍借助信號110通過監(jiān)控單元112并借助信號114通過彩色分選器116分別逐一地進行采樣和彩色分選。然而，曝光控制器120采用一種統(tǒng)計分析來判定光檢測器的一個區(qū)域是否已達到預先設(shè)定的飽和上限。如果曝光控制器120判定一個區(qū)域已經(jīng)達到預先設(shè)定的飽和上限，它將指令存儲控制器128停止把來自該區(qū)域任何一個光檢測器的后繼數(shù)字圖象信號寫入存儲器單元132內(nèi)。
圖5a至5c說明能夠用在控制器上的三種統(tǒng)計方法，以判定一個區(qū)域是否已達到預先設(shè)定的飽和上限。圖5a說明峰值方法。此處，曝光控制器120正尋找至少一個具有等于或高于預先設(shè)定的飽和上限500飽和度的象素502。當上述情況發(fā)生時，曝光控制器120將指令存儲控制器128停止把來自該光檢測器區(qū)域的后繼數(shù)字圖象信號寫入存儲器單元132內(nèi)。
圖5b說明平均值方法。曝光控制器120計算出在一個區(qū)域中全部光檢測器的平均發(fā)光值為510。如果該平均發(fā)光值高于平均值512，曝光控制器120將指令存儲控制器128停止把來自該光檢測器區(qū)域的后繼數(shù)字圖象信號寫入存儲器單元132內(nèi)。在運算中，所述平均值可能是飽和值的一半。按8-比特精度形式，上述飽和值為256。舉例來說，平均值可以是按8-比特精度形式為128或按10精度形式為512。換句話說，可以從直方圖方法來獲得所述平均值。
圖5c說明直方圖方法。由曝光控制器120生成直方圖以判定如何將象素值分布遍及整個圖象。根據(jù)直方圖，按照熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士所周知的統(tǒng)計計算，能夠動態(tài)地獲得一平均值或飽和上限。除直方圖方法之外，也可以應用其他的統(tǒng)計方法來判定平均值和上限值。
可注意到如果單獨應用這些統(tǒng)計方法中的每個方法，可能不會產(chǎn)生最佳的統(tǒng)計結(jié)果并從而不會產(chǎn)生最佳的圖象曝光。例如，在應用峰值方法的情況下，在一區(qū)域中一個非常聚焦的亮點可能很迅速地強制少許象素達到預先設(shè)定的飽和上限，而在該區(qū)域中的其余象素卻曝光不足或根本沒有被曝光。然而，如果還對該區(qū)域計算過平均發(fā)光值的話，就會很顯然意識到有亮點存在，并在曝光時間方面作出補償調(diào)整。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士都能夠確定統(tǒng)計方法的最佳組合，從而獲得最可靠的統(tǒng)計方法。
圖6說明在本發(fā)明中時間間隔采樣的概念。圖6是一示范性光檢測器曝光狀態(tài)的圖形說明。從曝光周期開始，可把監(jiān)控單元112預先設(shè)定成每隔100ms對光檢測器采樣。用602說明從曝光周期開始時間過去100ms以后的發(fā)光值，并用604說明時間過去200ms以后的發(fā)光值。正如用612所說明的，在400ms時，光檢測器接近于飽和上限606。如果監(jiān)控單元112在預先設(shè)定的500ms時完成下一次采樣的話，光檢測器的飽和度可能已經(jīng)大大地超過上述飽和上限606。因此，由曝光控制器120指令監(jiān)控單元112，例如在450ms或離最后采樣50ms時進行下一次采樣。光檢測器的飽和度在時間450ms時處于或略微超過飽和上限606，同時曝光控制器將終止來自該光檢測器的數(shù)字圖象信號的進一步記錄，并保持在時間450ms時記錄的最佳數(shù)字圖象信號。
圖7概述在本發(fā)明中用以優(yōu)化圖象曝光的方法。程序步702和714各自表示一特定象素或一象素區(qū)域曝光的啟動和停止。程序步704表示來自圖象傳感器陣列中每個獨立光檢測器的數(shù)字圖象信號的讀出。該程序步還完成從每個數(shù)字圖象信號中萃取一代表每個光檢測器飽和度的發(fā)光值。在程序步706中，通過從每個光檢測器中所萃取的發(fā)光值完成一種統(tǒng)計分析。做上述統(tǒng)計分析以便判定光檢測器或光檢測器區(qū)域是否已達到預先設(shè)定的飽和上限。在程序步708中生成控制參數(shù)，從而為一特定光檢測器或光檢測器區(qū)域控制曝光時間。上述控制參數(shù)值取決于所述光檢測器或光檢測器區(qū)域是否已達到飽和上限。在程序步710，可能對光檢測器或光檢測器區(qū)域再進行曝光，在該種情況下，將跟隨路徑712并繼續(xù)進行讀出和分析。如果光檢測器已經(jīng)達到飽和上限，來自該光檢測器或光檢測器區(qū)域的圖象信號將不再加以記錄同時處理過程將在程序步714終止?？刂茀?shù)708正如以下所述能夠被用作其他用途，例如控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
圖3顯示本發(fā)明的曝光控制器信號122的另一種應用。象素300包含光檢測器302和8-比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器306。正如在先前兩個實施例中一樣，將象素的數(shù)字輸出110送往監(jiān)控單元112，然后通過彩色分選器116并最終送往曝光控制器120。曝光控制器120分析光檢測器的發(fā)光值并借助于信號310控制ADC控制器312以影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器306的狀態(tài)。
圖4顯示模數(shù)轉(zhuǎn)換器306的模擬輸入信號與數(shù)字輸出信號的關(guān)系曲線。在正常情況下，模擬輸入信號和數(shù)字輸出信號有一與曲線410特點的關(guān)系。假定增益402是處于45度角，模擬輸入信號404的一個單元將產(chǎn)生數(shù)字輸出信號408的一個單元。然而，ADC控制器能夠控制偏移量400引起一看來像曲線412的曲線。通過像412那樣偏移曲線，就相同的模擬輸入信號404，能夠得到較低的數(shù)字輸出信號406。通過控制ADC控制器312從而控制偏移量400，曝光控制器能夠有效地阻止象素輸出飽和的數(shù)字圖象信號。
很清楚在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士是可以對以上實施例進行多種修改的。因此，本發(fā)明的范圍應當由以下的權(quán)利要求書和它們的法定等效權(quán)利加以限定。
權(quán)利要求
1．一種在圖象采集裝置中曝光期間用以優(yōu)化圖象傳感器曝光時間的方法，它包含以下步驟a)從所述圖象傳感器的相應數(shù)量的象素中獲得許多數(shù)字圖象信號；b)通過從所述許多數(shù)字圖象信號導出的發(fā)光值完成統(tǒng)計分析；c)從所述統(tǒng)計分析導出一或多個控制參數(shù)；d)應用所述控制參數(shù)為所述圖象傳感器中的所述各象素改變曝光時間。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中曝光時間包含許多預定的時間間隔，而且其中所述獲得許多數(shù)字信號是在上述預定時間間隔之一的末端，通過重復采樣許多數(shù)字信號來完成的。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述應用所述控制參數(shù)改變曝光時間包含使最后一個預定時間間隔加以縮短，從而避免某些數(shù)字信號飽和。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中每個所述象素包括一光檢測器和一電路，所述光檢測器當被暴露給目標時產(chǎn)生一模擬信號，而所述電路則將所述模擬信號轉(zhuǎn)換成所述數(shù)字圖象信號之一。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的在每個所述象素中的光檢測器是互補金屬-氧化物-半導體晶體管(CMOS)所構(gòu)成的。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述統(tǒng)計分析是由數(shù)字信號處理器完成的。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述一或多個控制參數(shù)指出一象素是否已達到飽和上限。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述統(tǒng)計分析是一種峰值統(tǒng)計分析。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述統(tǒng)計分析是一種平均值統(tǒng)計分析。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述統(tǒng)計分析是一種直方圖分布統(tǒng)計分析。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中曝光時間是根據(jù)從所述統(tǒng)計分析導出的所述一或多個控制參數(shù)，通過有選擇地終止來自每個所述許多象素或來自一象素區(qū)域的所述數(shù)字信號記錄而加以改變的。
12．一種具有優(yōu)化曝光時間的圖象傳感器系統(tǒng)，該圖象傳感器包含一個象素元件的陣列，每個所述象素元件有一飽和上限，而且當正被暴露給目標時產(chǎn)生一數(shù)字信號；一個在每一預先設(shè)定的時間間隔用以采樣所述數(shù)字信號的監(jiān)控單元，其中曝光時間包括許多所述預先設(shè)定的時間間隔；以及一個與所述監(jiān)控單元通信的控制電路，它響應從所述象素元件采樣的數(shù)字信號中導出的一或多個控制參數(shù)，用以終止來自所述象素元件的數(shù)字信號的記錄，其中每一所述象素元件包括一光檢測器和一電路，所述光檢測器當被暴露給目標時生成一模擬信號，所述電路則將所述模擬信號轉(zhuǎn)換成所述數(shù)字信號。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述光檢測器是以互補金屬-氧化物-半導體晶體管(CMOS)為基準的。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字信號被寫入一存儲器單元內(nèi)。
15．根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路按照所述一或多個控制參數(shù)使最后一個所述時間間隔加以縮短從而避免某些所述光檢測器會飽和。
16．根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中把所述象素元件組合成區(qū)域，每一區(qū)域有一區(qū)域飽和度和一區(qū)域飽和上限。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中每個所述區(qū)域生成所述一或多個控制參數(shù)。
18．根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述象素元件在所述曝光時間內(nèi)按每一所述預先設(shè)定的時間間隔被采樣，以判定每個所述光檢測器的飽和度。
19．根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述控制器根據(jù)一種統(tǒng)計分析生成所述一或多個控制參數(shù)，從而判定每一所述區(qū)域飽和度是否已達到各自所述相應區(qū)域的飽和上限。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述統(tǒng)計分析是判定在每一所述區(qū)域范圍內(nèi)的峰值。
21．根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述統(tǒng)計分析是判定在每一所述區(qū)域范圍內(nèi)的平均值。
22．根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述統(tǒng)計分析是完成一項直方圖分布統(tǒng)計分析。
23．根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述終止記錄所述數(shù)字圖象信號能夠在每個所述光檢測器上或?qū)τ诿恳凰龉鈾z測器區(qū)域內(nèi)完成。
全文摘要
一種在曝光期間優(yōu)化圖象傳感器陣列中象素區(qū)域的曝光時間的方法,是通過應用由生成數(shù)字圖象信號的象素構(gòu)成的圖象傳感器陣列的時間間隔采樣來完成的。從每一數(shù)字圖象信號萃取發(fā)光值,并對其進行分析以判定象素是否已經(jīng)達到最佳曝光。如果象素已經(jīng)達到最佳曝光時,將不再記錄來自該象素的后繼數(shù)字圖象信號。這樣就保持正好在象素已達到其最佳曝光時,由象素所生成的最佳的數(shù)字圖象信號的記錄。上述有選擇地根據(jù)象素的最佳曝光而終止數(shù)字圖象信號記錄的處理過程,能夠按各個別象素加以實現(xiàn)或按象素區(qū)域加以實現(xiàn)。
文檔編號G03B7/093GK1323135SQ01116570
公開日2001年11月21日 申請日期2001年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月4日
發(fā)明者鄧中翰, 楊曉東, 彭希, 奧杜托拉·奧盧塞耶·埃韋戴米, 里卡多·楊松·莫塔, 魏一痕 申請人:派克西姆公司