CN1418004A - Mos图像传感器中快速自动曝光或者增益控制的方法 - Google Patents

Abstract

在一种CMOS图像传感器中，控制曝光时间或者增益非常重要。外界光发生变化的时候，必须改变阵列的曝光时间。本发明描述控制曝光时间或者增益的一种方法。分析一帧中每一个像素的强度，以确定强度高于或者低于多个预定门限的像素的个数。然后用这个信息来改变曝光时间。还利用强度高于或者低于多个预定门限的像素的个数来确定曝光时间的改变幅度，具体视情况而定。

Description

MOS图像传感器中快速自动曝光或者增益控制的方法

发明领域

总的来说，本发明涉及CMOS图像传感器，具体而言，本发明涉及控制图像传感器曝光时间或者增益的一种方法。

发明背景

集成电路技术已经给各个领域带来了革命，包括计算机领域、控制系统领域、电信领域和成像领域。例如，在成像领域里，相对于CCD成像器件，CMOS图像传感器制造起来更加便宜。还有，对于特定应用，CMOS器件的性能更好。MOS器件中的像素元素可以更小，因此提供比CCD图像传感器还要高的分辨率。另外，需要的信号处理逻辑可以与成像电路一起集成，从而允许用单片集成电路形成完整的独立成像器件。

在Kawashima等等1993年IEDM的93-575上的文章“利用CMOS工艺制造的四分之一英寸格式250K像素放大的MOS图像传感器”，以及Ozaki等等于1991年5月在第38卷第5期IEEE电子器件杂志上发表的文章“一种低噪声行放大MOS成像器件”中详细介绍了MOS成像器件的实例。另外，Denyer的第5345266号美国专利“矩阵图像传感器芯片”描述了一种MOS图像传感器。现在可以从多个制造商获得CMOS图像传感器，包括本发明的受让人Omni Vision技术公司。

用CMOS图像传感器形成的图像的主要构成成份是像素。像素的数量、大小和间隔决定了成像器件产生的图像的分辨率。CMOS图像传感器的像素是将入射光光子转换成电流信号的半导体器件。每个像素产生的信号一般都非常小。

CMOS图像传感器必须能够控制的一个重要参数是每个像素在入射光中的曝光时间。类似于照相胶卷的曝光时间，每个像素的曝光时间必须进行调整，以补偿光照条件的变化，比如室内光照条件和室外光照条件的差别。曝光时间太长会导致图像过于明亮，从而失去颜色。相反，曝光时间太短会导致图像太暗而难以辨别。

改变像素信号强度的另一种方法是调整放大电路的增益。通过许多方式，增益的控制基本上类似于控制曝光时间。通过改变一样或者两样，图像传感器产生的图像可以被优化到最适合观看。

第5734426号美国专利描述了控制曝光时间的一种现有技术方法。尽管适合于许多应用，但是曝光时间能够自动改变的速度对于特定应用不够。例如，对于汽车应用，汽车可能从阳光驶入黑暗中(比如隧道中)，然后又回到阳光中，图像传感器能够迅速地调节它的曝光时间非常重要。

附图简述

在附图中，本发明中非限制性实施方案的所有附图里相似的引用数字表示相似的部件，其中：

图1是CMOS图像传感器的一个原理图。

图2是说明本发明的方法的一个流程图。

发明详述

在以下描述中给出了许多具体细节，比方说各系统部件的标识，以便全面地理解本发明的实施方案。但是，本领域中的技术人员会明白可以实践本发明而不采用这些具体细节，或者用其它方法、部件、材料等等来实践本发明。在其它情形下，众所周知的结构、材料或者操作都没有详细画出或者详细描述，以免喧宾夺主。

在这个说明中，“一个实施方案”指的是与这个实施方案有关的某个特点、结构或者特征包括在本发明的至少一个实施方案里。这样，这一说明中各个地方出现的术语“在一个实施方案中”不一定全部指同一个实施方案。除此以外，某些特征、结构或者特征都可以以适当的方式结合在一个或者多个实施方案内。

参考图1，CMOS成像阵列101的一个结构中包括像素的一个矩形矩阵103。水平方向也就是x方向的像素数量，以及垂直方向也就是y方向的像素数量，决定了成像阵列101的分辨能力。垂直列中的每一个像素103都将它的信号传递给同一个电荷放大器105。

从像素103提取信息采用众所周知的光栅扫描技术。具体而言，从左到右按顺序扫描一行像素103。接下来按照这种方式扫描下一行，直到从上到下按顺序扫描完所有行。在每一次完整地扫描完整个阵列101的时候，就进入预定长度时间的垂直消隐周期，直到光栅扫描模式又从头开始。这种扫描方式与NTSC扫描方案相同。传统设计中的控制电路能够按照这种方式按顺序读取像素103。

扫描每一个像素的时候，将像素信号提供给那一列的电荷放大器105。这样，电荷放大器105按顺序接收信号。来自电荷放大器105的顺序信号被随后转发给第二级放大器107，它对信号进行放大，因而能够对它们进行进一步的处理。在各种实施方案中，可以省去列放大器或者省去第二级放大器。

本发明用每一个像素放大信号的幅度来确定每个像素的曝光时间。一般而言，可以通过控制光栅扫描控制算法来改变每个像素的曝光时间。

本发明的方法在图2中说明。虽然下面描述本发明的方法的时候涉及到了曝光时间的控制，但是这一方法同样能够很好地用于控制增益。在方框201里，确定阵列中一个像素的像素信号的幅度。下一步在方框203里，判断像素信号是否大于预定值VHIGH。一般情况下，像素信号在0.3伏特到1.0伏特之间。这个电压是由NTSC电视标准规定的。但是，像素信号的幅度可以随着使用的像素的特定类型，列放大器或者第二级放大器的放大量，以及各种其它因素改变而改变。这样，这里给出的确切电压值仅仅是用作实例，不应该理解为对电压值进行限制。

在一个实施方案中，VHIGH的典型值是0.8伏特。如果像素信号的幅度大于VHIGH，那么在方框205中，计数器NW加1。加1以后，下一步按方框211执行。

但是，如果在方框203中，像素信号不大于VHIGH，那么，在方框207中，判断像素信号是否小于另一个预定门限值VLOW。在一个实施方案中，VLOW是0.5伏特。如果像素信号小于VLOW，那么在方框209中，计数器NB加1。在方框209以后，按方框211执行控制。

虽然对一个像素信号按照方框203、205、207和209进行处理，但是要相对于第二组“超”门限(在门限名称中采用符号“S”)分析同一个像素信号。具体而言，在方框202中，判断像素信号是否大于预定值VSHIGH。VSHIGH的典型值是0.9伏特。如果像素信号的幅度大于VSHIGH，那么在方框204中，计数器NVW加1。加完1以后，下一步执行方框211中的步骤。

但是如果在方框202中，像素信号不大于VSHIGH，那么在方框206中，判断像素信号是否小于另外一个预定门限值VSLOW。在一个实施方案中，VSLOW是0.4伏特。如果像素信号小于VSLOW，那么在方框208中，计数器NVB加1。在方框208以后，按照方框211进行。

下一步在方框211中，判断这一帧中是否有更多的像素需要进行分析。如果是这样，就重复方框201～209中的处理。应该指出，没有必要分析一帧中的所有像素。可以只分析这一帧中像素的一个子集。但是，在一个优选实施方案中，要分析所有像素。这样，如果这一帧中的整个像素阵列都已经分析完，那么在方框213中，判断计数器NW是否大于预定门限值KW。一般而言，KW是这样一个数，它是成像阵列中像素总数的大约25％。

如果NW不大于KW，那就不缩短曝光时间，控制转入方框221。但是如果NW大于KW，就需要缩短曝光时间。记住计数器NW记录的是输出强信号的像素的数量，它对应于投射光的大小。如果有大量的像素输出强信号，这就说明曝光时间过长。在这种情况下，应该缩短曝光时间。

在现有技术中，在确定了NW大于KW以后，按预先确定的量缩短曝光时间。然而，如果预先确定的曝光时间太短，在正确地曝光以前会有几帧图像。但是，如果预先确定的减量太大，曝光时间的减量就太大，视频流可能出现“跳跃”。

无论如何，为了改进现有技术中的自动曝光修正技术，按照本发明，采取第二步分析以确定曝光时间的适当减量。具体而言，在方框215中，判断计数器NVW是否大于一个门限值KVW。如果是这样，就在方框217中将曝光时间缩短第一个预定减量。在一个实施方案中，这第一个预定减量被定义为曝光时间的百分比(P1)。但是如果计数器NVW不大于门限值KVW，那么在方框219中，将曝光时间减少第二个预定减量。在一个实施方案中，第二个预定减量被定义为曝光时间的百分比(P2)。典型情况下，P1大于P2，在一个实施方案中，P1是50％，而P2是6％。

总而言之，如果发现有大量的像素在输出大信号(NW＞KW)，就应该缩短曝光时间。下一步确定曝光时间应该缩短多少，P1或者P2。为了进行这一分析，利用计数器NVW(它记录信号高于“超”门限的像素的数量)。具体而言，如果计数器NVW大于门限数KVW，就保证曝光时间缩短更多。如果计数器NVW不大于KVW，曝光时间就缩短得较少。

采用类似的过程来延长曝光时间。这样，如果在方框213中，NW不大于KW，那么在方框221中，判断计数器NB是否大于预定门限值KB。一般情况下，KB是成像阵列中像素总数的75％。

如果NB不大于KB，就不延长曝光时间。但是如果NB大于KB，就需要延长曝光时间。记住计数器NB表示输出信号幅度低的像素的数量，对应于入射的光很少。如果有大量像素的输出信号幅度很小，这就说明曝光时间可能太短。在这种情况下，应该延长曝光时间。

在现有技术中，确定了NB大于KB以后，将曝光时间延长预定的一个增量。但如果预定的增量太小，就需要花费几帧图像的时间才能够将曝光时间调整好。但是如果预定的增加量设得太大，曝光时间的增加量就会过头，视频流可能出现“跳跃”。

在任何情况下，为了改进自动曝光修正技术，按照本发明，进行第二步分析来确定曝光时间的增量。具体而言，在方框223中，判断计数器NVB是否大于门限值KVB。如果是这样，那么在方框225中，就将曝光时间延长第一个预定增量。在一个实施方案中，这个预定增量被定义为曝光时间的一个百分比(P3)。但是如果计数器NVB不大于门限值KVB，那么在方框227中，就将曝光时间增加第二个预定减量。在一个实施方案中，第二个预定减量被定义为曝光时间的一个百分比(P4)。一般情况下，P3大于P4，在一个实施方案中，P3是100％，P4是6％。

总而言之，如果有大量像素的输出信号电平较低(NB＞KB)，就应该延长曝光时间。下一步确定曝光时间的延长量，P3或者P4。对于这一分析，采用计数器NVB(它测量输出信号幅度低于“超”门限的像素的数量)。具体而言，如果计数器NVB大于门限数KVB，就给曝光时间增加一个大增量。如果计数器NVB不大于KVB，就给曝光时间增加一个小增量。

显然图2所示方法通常都用于图像传感器集成电路。具体而言，多数图像传感器芯片都包括一个传感器阵列和处理器电路。在一个实例中处理器电路可以改变成为进行图2所示的分析。

虽然描述本发明的时候参考了有限数量的实施方案，但是本发明可以用许多形式实现而不会偏离本发明的基本特性和实质。因此给出的实施方案是说明性的而不是限制性的。例如，以上详细描述说到的是调整曝光时间，但是上面描述的技术同样可以用于增益控制。例如，不是延长和缩短曝光时间，而是相应地提高或者降低增益。此外，如果需要还可以同时延长曝光时间和提高增益。这样，本发明的范围由后面的权利要求给出，而不是由前面的描述，落入后面的权利要求范围的所有改变都包括在本发明的范围之内。

Claims (14)

1.图像传感器曝光时间的一种自动控制方法，该图像传感器包括一个像素阵列，所述方法包括：

确定所述阵列中输出像素信号的强度大于VHIGH的像素的个数NW；

确定所述阵列中输出像素信号的强度小于VLOW的像素的个数NB；

确定所述阵列中输出像素信号的强度大于VSHIGH的像素的个数NVW；

确定所述阵列中输出像素信号的强度小于VSLOW的像素的个数NVB；

判断NW是否大于第一个预定高门限KW，如果是这样：

判断NVW是否大于第二个预定高门限KVW，如果是这样，就将所述曝光时间缩短预定的第一个减量百分比P1，但是如果不是这样，就将所述曝光时间缩短预定的第二个减量百分比P2；和

判断NB是否大于预定的第一个低门限KB，如果是这样：

判断NVB是否大于预定的第二个低门限KVB，如果是这样，就将所述曝光时间延长第一个增量百分比P3，但是如果不是这样，就将所述曝光时间延长第二个增量百分比P4。

2.权利要求1的方法，其中的VSLOW小于VLOW，并且其中的VSHIGH大于VHIGH。

3.权利要求1的方法，其中的第一个减量百分比P1大于所述第二个减量百分比P2。

4.权利要求3的方法，其中的P1是大约50％，P2是大约6％。

5.权利要求1的方法，其中的第一个增量百分比P3大于第二个增量百分比P4。

6.权利要求5的方法，其中的P3是大约100％，P4是大约6％。

7.权利要求1的方法，其中KB和KW的所述预定值是所述阵列中像素总数的大约75％和25％。

8.控制图像传感器放大增益的一种自动控制方法，所述图像传感器包括一个像素阵列，该方法包括：

确定所述阵列中输出像素信号的强度大于VHIGH的像素的个数NW；

确定所述阵列中输出像素信号的强度小于VLOW的像素的个数NB；

确定所述阵列中输出像素信号的强度大于VSHIGH的像素的个数NVW；

确定所述阵列中输出像素信号的强度小于VSLOW的像素的个数NVB；

判断NW是否大于第一个预定高门限KW，如果是这样：

判断NVW是否大于第二个预定高门限KVW，如果是这样，就将所述放大增益下降预定的第一个减量百分比P1，但是如果不是这样，就将所述放大增益下降预定的第二个减量百分比P2；和

判断NB是否大于预定的第一个低门限KB，如果是这样：

判断NVB是否大于预定的第二个低门限KVB，如果是这样，就将所述放大增益提高第一个增量百分比P3，但是如果不是这样，就将所述放大增益提高第二个增量百分比P4。

9.权利要求8的方法，其中的VSLOW小于VLOW，并且其中的VSHIGH大于VHIGH。

10.权利要求8的方法，其中的第一个减量百分比P1大于所述第二个减量百分比P2。

11.权利要求10的方法，其中的P1是大约50％，P2是大约6％。

12.权利要求8的方法，其中的第一个增量百分比P3大于第二个增量百分比P4。

13.权利要求12的方法，其中的P3是大约100％，P4是大约6％。

14.权利要求8的方法，其中KB和KW的所述预定值是所述阵列中像素总数的大约75％和25％。

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