專利名稱：Mos圖像傳感器中快速自動曝光或者增益控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及CMOS圖像傳感器，具體而言，本發(fā)明涉及控制圖像傳感器曝光時間或者增益的一種方法。
在Kawashima等等1993年IEDM的93-575上的文章“利用CMOS工藝制造的四分之一英寸格式250K像素放大的MOS圖像傳感器”，以及Ozaki等等于1991年5月在第38卷第5期IEEE電子器件雜志上發(fā)表的文章“一種低噪聲行放大MOS成像器件”中詳細(xì)介紹了MOS成像器件的實(shí)例。另外，Denyer的第5345266號美國專利“矩陣圖像傳感器芯片”描述了一種MOS圖像傳感器?，F(xiàn)在可以從多個制造商獲得CMOS圖像傳感器，包括本發(fā)明的受讓人Omni Vision技術(shù)公司。
用CMOS圖像傳感器形成的圖像的主要構(gòu)成成份是像素。像素的數(shù)量、大小和間隔決定了成像器件產(chǎn)生的圖像的分辨率。CMOS圖像傳感器的像素是將入射光光子轉(zhuǎn)換成電流信號的半導(dǎo)體器件。每個像素產(chǎn)生的信號一般都非常小。
CMOS圖像傳感器必須能夠控制的一個重要參數(shù)是每個像素在入射光中的曝光時間。類似于照相膠卷的曝光時間，每個像素的曝光時間必須進(jìn)行調(diào)整，以補(bǔ)償光照條件的變化，比如室內(nèi)光照條件和室外光照條件的差別。曝光時間太長會導(dǎo)致圖像過于明亮，從而失去顏色。相反，曝光時間太短會導(dǎo)致圖像太暗而難以辨別。
改變像素信號強(qiáng)度的另一種方法是調(diào)整放大電路的增益。通過許多方式，增益的控制基本上類似于控制曝光時間。通過改變一樣或者兩樣，圖像傳感器產(chǎn)生的圖像可以被優(yōu)化到最適合觀看。
第5734426號美國專利描述了控制曝光時間的一種現(xiàn)有技術(shù)方法。盡管適合于許多應(yīng)用，但是曝光時間能夠自動改變的速度對于特定應(yīng)用不夠。例如，對于汽車應(yīng)用，汽車可能從陽光駛?cè)牒诎抵?比如隧道中)，然后又回到陽光中，圖像傳感器能夠迅速地調(diào)節(jié)它的曝光時間非常重要。
圖2是說明本發(fā)明的方法的一個流程圖。
發(fā)明詳述在以下描述中給出了許多具體細(xì)節(jié)，比方說各系統(tǒng)部件的標(biāo)識，以便全面地理解本發(fā)明的實(shí)施方案。但是，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會明白可以實(shí)踐本發(fā)明而不采用這些具體細(xì)節(jié)，或者用其它方法、部件、材料等等來實(shí)踐本發(fā)明。在其它情形下，眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或者操作都沒有詳細(xì)畫出或者詳細(xì)描述，以免喧賓奪主。
在這個說明中，“一個實(shí)施方案”指的是與這個實(shí)施方案有關(guān)的某個特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)或者特征包括在本發(fā)明的至少一個實(shí)施方案里。這樣，這一說明中各個地方出現(xiàn)的術(shù)語“在一個實(shí)施方案中”不一定全部指同一個實(shí)施方案。除此以外，某些特征、結(jié)構(gòu)或者特征都可以以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合在一個或者多個實(shí)施方案內(nèi)。
參考

圖1，CMOS成像陣列101的一個結(jié)構(gòu)中包括像素的一個矩形矩陣103。水平方向也就是x方向的像素數(shù)量，以及垂直方向也就是y方向的像素數(shù)量，決定了成像陣列101的分辨能力。垂直列中的每一個像素103都將它的信號傳遞給同一個電荷放大器105。
從像素103提取信息采用眾所周知的光柵掃描技術(shù)。具體而言，從左到右按順序掃描一行像素103。接下來按照這種方式掃描下一行，直到從上到下按順序掃描完所有行。在每一次完整地掃描完整個陣列101的時候，就進(jìn)入預(yù)定長度時間的垂直消隱周期，直到光柵掃描模式又從頭開始。這種掃描方式與NTSC掃描方案相同。傳統(tǒng)設(shè)計中的控制電路能夠按照這種方式按順序讀取像素103。
掃描每一個像素的時候，將像素信號提供給那一列的電荷放大器105。這樣，電荷放大器105按順序接收信號。來自電荷放大器105的順序信號被隨后轉(zhuǎn)發(fā)給第二級放大器107，它對信號進(jìn)行放大，因而能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行進(jìn)一步的處理。在各種實(shí)施方案中，可以省去列放大器或者省去第二級放大器。
本發(fā)明用每一個像素放大信號的幅度來確定每個像素的曝光時間。一般而言，可以通過控制光柵掃描控制算法來改變每個像素的曝光時間。
本發(fā)明的方法在圖2中說明。雖然下面描述本發(fā)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于控制增益。在方框201里，確定陣列中一個像素的像素信號的幅度。下一步在方框203里，判斷像素信號是否大于預(yù)定值VHIGH。一般情況下，像素信號在0.3伏特到1.0伏特之間。這個電壓是由NTSC電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。但是，像素信號的幅度可以隨著使用的像素的特定類型，列放大器或者第二級放大器的放大量，以及各種其它因素改變而改變。這樣，這里給出的確切電壓值僅僅是用作實(shí)例，不應(yīng)該理解為對電壓值進(jìn)行限制。
在一個實(shí)施方案中，VHIGH的典型值是0.8伏特。如果像素信號的幅度大于VHIGH，那么在方框205中，計數(shù)器NW加1。加1以后，下一步按方框211執(zhí)行。
但是，如果在方框203中，像素信號不大于VHIGH，那么，在方框207中，判斷像素信號是否小于另一個預(yù)定門限值VLOW。在一個實(shí)施方案中，VLOW是0.5伏特。如果像素信號小于VLOW，那么在方框209中，計數(shù)器NB加1。在方框209以后，按方框211執(zhí)行控制。
雖然對一個像素信號按照方框203、205、207和209進(jìn)行處理，但是要相對于第二組“超”門限(在門限名稱中采用符號“S”)分析同一個像素信號。具體而言，在方框202中，判斷像素信號是否大于預(yù)定值VSHIGH。VSHIGH的典型值是0.9伏特。如果像素信號的幅度大于VSHIGH，那么在方框204中，計數(shù)器NVW加1。加完1以后，下一步執(zhí)行方框211中的步驟。
但是如果在方框202中，像素信號不大于VSHIGH，那么在方框206中，判斷像素信號是否小于另外一個預(yù)定門限值VSLOW。在一個實(shí)施方案中，VSLOW是0.4伏特。如果像素信號小于VSLOW，那么在方框208中，計數(shù)器NVB加1。在方框208以后，按照方框211進(jìn)行。
下一步在方框211中，判斷這一幀中是否有更多的像素需要進(jìn)行分析。如果是這樣，就重復(fù)方框201～209中的處理。應(yīng)該指出，沒有必要分析一幀中的所有像素。可以只分析這一幀中像素的一個子集。但是，在一個優(yōu)選實(shí)施方案中，要分析所有像素。這樣，如果這一幀中的整個像素陣列都已經(jīng)分析完，那么在方框213中，判斷計數(shù)器NW是否大于預(yù)定門限值KW。一般而言，KW是這樣一個數(shù)，它是成像陣列中像素總數(shù)的大約25％。
如果NW不大于KW，那就不縮短曝光時間，控制轉(zhuǎn)入方框221。但是如果NW大于KW，就需要縮短曝光時間。記住計數(shù)器NW記錄的是輸出強(qiáng)信號的像素的數(shù)量，它對應(yīng)于投射光的大小。如果有大量的像素輸出強(qiáng)信號，這就說明曝光時間過長。在這種情況下，應(yīng)該縮短曝光時間。
在現(xiàn)有技術(shù)中，在確定了NW大于KW以后，按預(yù)先確定的量縮短曝光時間。然而，如果預(yù)先確定的曝光時間太短，在正確地曝光以前會有幾幀圖像。但是，如果預(yù)先確定的減量太大，曝光時間的減量就太大，視頻流可能出現(xiàn)“跳躍”。
無論如何，為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)中的自動曝光修正技術(shù)，按照本發(fā)明，采取第二步分析以確定曝光時間的適當(dāng)減量。具體而言，在方框215中，判斷計數(shù)器NVW是否大于一個門限值KVW。如果是這樣，就在方框217中將曝光時間縮短第一個預(yù)定減量。在一個實(shí)施方案中，這第一個預(yù)定減量被定義為曝光時間的百分比(P1)。但是如果計數(shù)器NVW不大于門限值KVW，那么在方框219中，將曝光時間減少第二個預(yù)定減量。在一個實(shí)施方案中，第二個預(yù)定減量被定義為曝光時間的百分比(P2)。典型情況下，P1大于P2，在一個實(shí)施方案中，P1是50％，而P2是6％。
總而言之，如果發(fā)現(xiàn)有大量的像素在輸出大信號(NW＞KW)，就應(yīng)該縮短曝光時間。下一步確定曝光時間應(yīng)該縮短多少，P1或者P2。為了進(jìn)行這一分析，利用計數(shù)器NVW(它記錄信號高于“超”門限的像素的數(shù)量)。具體而言，如果計數(shù)器NVW大于門限數(shù)KVW，就保證曝光時間縮短更多。如果計數(shù)器NVW不大于KVW，曝光時間就縮短得較少。
采用類似的過程來延長曝光時間。這樣，如果在方框213中，NW不大于KW，那么在方框221中，判斷計數(shù)器NB是否大于預(yù)定門限值KB。一般情況下，KB是成像陣列中像素總數(shù)的75％。
如果NB不大于KB，就不延長曝光時間。但是如果NB大于KB，就需要延長曝光時間。記住計數(shù)器NB表示輸出信號幅度低的像素的數(shù)量，對應(yīng)于入射的光很少。如果有大量像素的輸出信號幅度很小，這就說明曝光時間可能太短。在這種情況下，應(yīng)該延長曝光時間。
在現(xiàn)有技術(shù)中，確定了NB大于KB以后，將曝光時間延長預(yù)定的一個增量。但如果預(yù)定的增量太小，就需要花費(fèi)幾幀圖像的時間才能夠?qū)⑵毓鈺r間調(diào)整好。但是如果預(yù)定的增加量設(shè)得太大，曝光時間的增加量就會過頭，視頻流可能出現(xiàn)“跳躍”。
在任何情況下，為了改進(jìn)自動曝光修正技術(shù)，按照本發(fā)明，進(jìn)行第二步分析來確定曝光時間的增量。具體而言，在方框223中，判斷計數(shù)器NVB是否大于門限值KVB。如果是這樣，那么在方框225中，就將曝光時間延長第一個預(yù)定增量。在一個實(shí)施方案中，這個預(yù)定增量被定義為曝光時間的一個百分比(P3)。但是如果計數(shù)器NVB不大于門限值KVB，那么在方框227中，就將曝光時間增加第二個預(yù)定減量。在一個實(shí)施方案中，第二個預(yù)定減量被定義為曝光時間的一個百分比(P4)。一般情況下，P3大于P4，在一個實(shí)施方案中，P3是100％，P4是6％。
總而言之，如果有大量像素的輸出信號電平較低(NB＞KB)，就應(yīng)該延長曝光時間。下一步確定曝光時間的延長量，P3或者P4。對于這一分析，采用計數(shù)器NVB(它測量輸出信號幅度低于“超”門限的像素的數(shù)量)。具體而言，如果計數(shù)器NVB大于門限數(shù)KVB，就給曝光時間增加一個大增量。如果計數(shù)器NVB不大于KVB，就給曝光時間增加一個小增量。
顯然圖2所示方法通常都用于圖像傳感器集成電路。具體而言，多數(shù)圖像傳感器芯片都包括一個傳感器陣列和處理器電路。在一個實(shí)例中處理器電路可以改變成為進(jìn)行圖2所示的分析。
雖然描述本發(fā)明的時候參考了有限數(shù)量的實(shí)施方案，但是本發(fā)明可以用許多形式實(shí)現(xiàn)而不會偏離本發(fā)明的基本特性和實(shí)質(zhì)。因此給出的實(shí)施方案是說明性的而不是限制性的。例如，以上詳細(xì)描述說到的是調(diào)整曝光時間，但是上面描述的技術(shù)同樣可以用于增益控制。例如，不是延長和縮短曝光時間，而是相應(yīng)地提高或者降低增益。此外，如果需要還可以同時延長曝光時間和提高增益。這樣，本發(fā)明的范圍由后面的權(quán)利要求給出，而不是由前面的描述，落入后面的權(quán)利要求范圍的所有改變都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.圖像傳感器曝光時間的一種自動控制方法，該圖像傳感器包括一個像素陣列，所述方法包括確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度大于VHIGH的像素的個數(shù)NW；確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度小于VLOW的像素的個數(shù)NB；確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度大于VSHIGH的像素的個數(shù)NVW；確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度小于VSLOW的像素的個數(shù)NVB；判斷NW是否大于第一個預(yù)定高門限KW，如果是這樣判斷NVW是否大于第二個預(yù)定高門限KVW，如果是這樣，就將所述曝光時間縮短預(yù)定的第一個減量百分比P1，但是如果不是這樣，就將所述曝光時間縮短預(yù)定的第二個減量百分比P2；和判斷NB是否大于預(yù)定的第一個低門限KB，如果是這樣判斷NVB是否大于預(yù)定的第二個低門限KVB，如果是這樣，就將所述曝光時間延長第一個增量百分比P3，但是如果不是這樣，就將所述曝光時間延長第二個增量百分比P4。
2.權(quán)利要求1的方法，其中的VSLOW小于VLOW，并且其中的VSHIGH大于VHIGH。
3.權(quán)利要求1的方法，其中的第一個減量百分比P1大于所述第二個減量百分比P2。
4.權(quán)利要求3的方法，其中的P1是大約50％，P2是大約6％。
5.權(quán)利要求1的方法，其中的第一個增量百分比P3大于第二個增量百分比P4。
6.權(quán)利要求5的方法，其中的P3是大約100％，P4是大約6％。
7.權(quán)利要求1的方法，其中KB和KW的所述預(yù)定值是所述陣列中像素總數(shù)的大約75％和25％。
8.控制圖像傳感器放大增益的一種自動控制方法，所述圖像傳感器包括一個像素陣列，該方法包括確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度大于VHIGH的像素的個數(shù)NW；確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度小于VLOW的像素的個數(shù)NB；確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度大于VSHIGH的像素的個數(shù)NVW；確定所述陣列中輸出像素信號的強(qiáng)度小于VSLOW的像素的個數(shù)NVB；判斷NW是否大于第一個預(yù)定高門限KW，如果是這樣判斷NVW是否大于第二個預(yù)定高門限KVW，如果是這樣，就將所述放大增益下降預(yù)定的第一個減量百分比P1，但是如果不是這樣，就將所述放大增益下降預(yù)定的第二個減量百分比P2；和判斷NB是否大于預(yù)定的第一個低門限KB，如果是這樣判斷NVB是否大于預(yù)定的第二個低門限KVB，如果是這樣，就將所述放大增益提高第一個增量百分比P3，但是如果不是這樣，就將所述放大增益提高第二個增量百分比P4。
9.權(quán)利要求8的方法，其中的VSLOW小于VLOW，并且其中的VSHIGH大于VHIGH。
10.權(quán)利要求8的方法，其中的第一個減量百分比P1大于所述第二個減量百分比P2。
11.權(quán)利要求10的方法，其中的P1是大約50％，P2是大約6％。
12.權(quán)利要求8的方法，其中的第一個增量百分比P3大于第二個增量百分比P4。
13.權(quán)利要求12的方法，其中的P3是大約100％，P4是大約6％。
14.權(quán)利要求8的方法，其中KB和KW的所述預(yù)定值是所述陣列中像素總數(shù)的大約75％和25％。
全文摘要
在一種CMOS圖像傳感器中，控制曝光時間或者增益非常重要。外界光發(fā)生變化的時候，必須改變陣列的曝光時間。本發(fā)明描述控制曝光時間或者增益的一種方法。分析一幀中每一個像素的強(qiáng)度，以確定強(qiáng)度高于或者低于多個預(yù)定門限的像素的個數(shù)。然后用這個信息來改變曝光時間。還利用強(qiáng)度高于或者低于多個預(yù)定門限的像素的個數(shù)來確定曝光時間的改變幅度，具體視情況而定。
文檔編號H04N5/374GK1418004SQ0215063
公開日2003年5月14日 申請日期2002年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月7日
發(fā)明者X·羅, X·何 申請人:全視技術(shù)有限公司