TW201409004A

TW201409004A - 環境光偵測裝置與方法

Info

Publication number: TW201409004A
Application number: TW101131086A
Authority: TW
Inventors: En-Feng Hsu; Meng-Huan Hsien
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-03-01
Also published as: US9239261B2; TWI467140B; US20140061440A1

Abstract

本發明提供一種環境光偵測裝置與方法。裝置包含至少一像素、一讀取電路、以及一組合元件。本發明偵測環境光以取得複數較低解析度的偵測曝光值，各偵測曝光值分別對應於不同的動態範圍；以及組合該複數較低解析度的偵測曝光值而產生一較高解析度的曝光編碼組合，以代表對環境光的偵測結果。

Description

環境光偵測裝置與方法

本發明有關於一種環境光偵測裝置與方法，特別是利用組合複數個較低解析度曝光以產生與高解析度曝光同等或更佳效果之環境光偵測裝置與方法。

在眾多形式的環境光偵測裝置，例如環境光感測器(Ambient Light Sensor)，常應用於戶外例如街燈、廣告看板等以及室內需求例如3C資訊產品等，故環境光偵測裝置需要高動態範圍(High Dynamic Range)的解析度，可兼顧低亮度環境(例如亮度為1 Lux)以及強烈太陽光照射下(例如亮度為60,000 Lux)的環境光偵測。傳統之方式為利用16位元類比數位轉換器(Analog to Digital Converter)進行訊號之動態範圍取樣，因16位元方能滿足高動態範圍之解析度需求。然而16位元類比數位轉換器所需之面積較大，所耗電能也較高，技術複雜度也非常高。如何擁有與16位元同等解析度的動態範圍偵測能力，卻不需類似複雜電路之環境光偵測裝置，成為產品開發重點之一。

本發明之目的在提供一種環境光偵測裝置與方法。

為達上述之目的，本發明提供了一種環境光偵測裝置，其可包含至少一像素、一讀取電路、以及一組合元件。其中，像素可接受複數次偵測曝光，而複數次偵測曝光係分別具有不同曝光時間以偵測不同之動態範圍。讀取電路可分別讀取複數次偵測曝光並產生對應之數位化編碼。組合元件可組合複數次偵測曝光之數位化編碼並產生一曝光編碼組合以代表對環境光的偵測結果，其中該曝光編碼組合之解析度高於該些偵測曝光各自之解析度。

本發明之另一實施例中，提供了一種環境光偵測裝置其可包括複數個像素、一讀取電路、以及一組合元件。複數個像素分別產生至少一次偵測曝光，其中複數個像素的感光面積可以不同、或是接受的曝光時間可以不同、或是以上兩者可以組合，以偵測不同之動態範圍。讀取電路可分別讀取偵測曝光並產生對應之數位化編碼。組合元件係可組合偵測曝光之數位化編碼並產生一曝光編碼組合以代表對環境光的偵測結果，其中該曝光編碼組合之解析度高於該些偵測曝光各自之解析度。

根據本發明之一實施例中，其偵測曝光中可具有一第一動態範圍(Rx)之偵測曝光與一第二動態範圍(Ry)之偵測曝光，第一動態範圍之偵測曝光在其和第二動態範圍相減之動態範圍(Rx-Ry)對應之部分偵測曝光具有之解析度高於該第一動態範圍之其他部分偵測曝光之解析度。

本發明之一實施例中，其中曝光編碼組合中可具有至少一部分偵測曝光之對應數位化編碼或其加權值；組合元件將其組合以獲得具有較高解析度之偵測效果。

本發明之一實施例中，其中偵測曝光之取樣頻率(Frame rate)可為600Hz或其倍數，並取樣30次或其倍數後予以平均。

本發明之一實施例中，其中環境光偵測裝置又可包含一遮光像素，前述像素接受偵測曝光所產生之曝光輸出(EO)分別與遮光像素之曝光輸出(ED)具有一相減結果(EO-ED)，讀取電路可分別根據各相減結果(EO-ED)以產生數位化編碼。

本發明之一實施例中，其中偵測曝光可具有複數次第一階段偵測曝光以及至少一次第二階段偵測曝光，環境光偵測裝置可利用第一階段偵測曝光以決定環境光之目前動態範圍，而像素根據該環境光之目前動態範圍以產生第二階段偵測曝光。

本發明也提供一種環境光偵測方法，包含：偵測環境光以取得複數較低解析度的偵測曝光值，各偵測曝光值分別對應於不同的動態範圍；以及組合該複數較低解析度的偵測曝光值而產生一較高解析度的曝光編碼組合，以代表對環境光的偵測結果。

在以上方法的實施例中，該複數較低解析度的偵測曝光值可藉由複數次偵測曝光而得、或藉由對不同感光面積之像素進行曝光而得、或藉由對不同之像素進行曝光而得、或藉由以上方式組合而得。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。本新型中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間之功能作用關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。

參照第1圖，其中為本發明一實施例之環境光偵測裝置10之示意圖，其包含至少一像素11(像素11之實施不受限於圖示之數量或大小)、一讀取電路12、以及一組合元件13。本發明的第一實施例對像素11進行複數次偵測曝光而產生對應的偵測曝光值(每次偵測曝光例如可為但不限於為多次取樣，而偵測曝光值例如可為但不限於為多次取樣後的平均值，容後說明)。

參考第2圖，其中橫軸為動態範圍，數值越大表示環境光亮度越高；縱軸為動態範圍的對應數位化編碼，例如採用9位元時其數值為十進位的0~511，10位元時其最大數值為十進位的0~1023等。本發明的數位化編碼可採用較先前技術為低的位元數；舉例而言，先前技術中需要16位元方能滿足高動態範圍之解析度需求，則在此情況下，本發明可以使用例如9位元、10位元或其他位元數的解析度，故可不需要使用16位元類比數位轉換器。第2圖以三次偵測曝光為例(實施時不受限於三次)，其中，偵測曝光E1、E2、E3係分別具有不同之曝光時間以偵測不同之動態範圍R1、R2、R3。讀取電路12分別讀取偵測曝光E1、E2、E3並產生對應之數位化編碼，表示偵測曝光值。在圖示的本實施例中，E1、E2、E3所產生的數位化編碼具有相同位元數之解析度，但此僅為舉例，實施時不受此限，亦即E1、E2、E3所產生的數位化編碼可具有不同之解析度。組合元件係組合偵測曝光E1、E2、E3之數位化編碼並產生一曝光編碼組合(第3、4圖，符號EC、EC1)，其組合方式容後舉例說明。簡言之，曝光編碼組合代表對環境光之完整亮度範圍進行偵測所得的結果。曝光編碼組合係經由對偵測曝光E1、E2、E3之組合而得，並非經由類比數位轉換而得，故曝光編碼組合之解析度可高於數位化編碼之解析度，可等於甚至可高於先前技術中的16位元解析度，但並不需要使用相對應位元數的類比數位轉換器。

參照第2圖，其中舉例顯示對不同動態範圍進行偵測曝光的安排方式。偵測曝光E1、E2、E3係分別具有不同之曝光時間以偵測不同之動態範圍R1、R2、R3。動態範圍較大之區域，其對應的偵測曝光(例如E3)，採用較短的曝光時間。動態範圍較小之區域，其對應的偵測曝光(例如E1)，採用較長的曝光時間。依此方式，根據偵測曝光E1、E2、E3產生的曝光編碼組合，可以表示環境光的完整亮度範圍。或從另一角度言之，本實施例對像素11進行三次偵測曝光，而曝光時間分別為短、中、長。當環境光的亮度極低時，長曝光時間的偵測曝光E1將會提供最佳資訊，而短曝光時間的偵測曝光E3較不具意義；另一方面，當環境光的亮度極高時，短曝光時間的偵測曝光E3將會提供最佳資訊，而長曝光時間的偵測曝光E1較不具意義。因此，適當地轉換偵測曝光E1、E2、E3而產生對應之數位化編碼，並將這些數位化編碼適當地組合，就可產生曝光編碼組合而以高精密度來表示環境光之完整亮度範圍。

將任一偵測曝光E1、E2、E3轉換產生對應之數位化編碼，可採用各種方式，其中將動態範圍平均區隔來編碼是最直覺的方式，但此並非必須(例如在解析度為9位元而最大亮度為65535 Lux的場合，E3之數位化編碼級距不必須使0對應於0~127 Lux,1對應於128~255 Lux,2對應於256~383 Lux...511對應於65407~65535 Lux等)。在較佳實施例中，對於一較大動態範圍R3之偵測曝光E3以及一次大動態範圍R2之偵測曝光E2，可安排使較大動態範圍之偵測曝光E3在其與次大動態範圍E2相減之動態範圍內(R3-R2)內之部份偵測曝光E31具有較佳之解析度，而部份偵測曝光E31其所對應之數位化編碼範圍D3係一較佳解析度編碼範圍(亦即，E3之數位化編碼可在(R3-R2)區間內採用較低的級距，而在R2以下區間採用較高的級距)。同理可推，圖示中偵測曝光E2對應之動態範圍(R2-R1)之部份偵測曝光E21具有較佳之解析度，部份偵測曝光E21其所對應之數位化編碼範圍D2也係一較佳解析度編碼範圍。

曝光編碼組合可以為偵測曝光E1、E2、E3或其部份偵測曝光之組合，並可予以加權，其組合方式可依需要來設計(例如可視環境光偵測裝置10之主要應用場所與最常見的環境光亮度範圍而定)，以具有最佳解析度之曝光組合效果。舉例而言如第3圖所示，曝光編碼組合EC係組合偵測曝光E1、部分偵測曝光E21、E31而成一連續函數之特性。曝光編碼組合EC之數位化編碼範圍則為D1+D2+D3，其中D1代表偵側曝光E1之數位化編碼，而曝光編碼組合EC之動態範圍為R3。第4圖顯示另一實施例，部份偵測曝光E21、E31之數位化編碼範圍D2、D3乘以一加權值，以分別產生加權部份偵測曝光E211、E311，並組合偵測曝光E1、加權部分偵測曝光E211、E311而產生曝光編碼組合EC1，此曝光編碼組合EC1具有連續之函數特性。

參照第5圖，其中顯示取樣頻率與輸入電源之圖示說明，基於現有公共供電系統為50Hz或60Hz，一般交流電輸入裝置時會整流為100Hz或120Hz之供應電源，因此在本發明一較佳實施例中，可設定像素11曝光的取樣頻率(Frame Rate)為600Hz(100Hz和120Hz之最小公倍數)或其倍數之頻率，並取30次曝光或其倍數後將亮度予以平均，產生偵測曝光(E1~E3，圖示以E1為代表)。如此，取樣頻率需可兼顧100Hz或120Hz之供應電源而不至於產生閃爍(Flicker)現象。取樣F可兼顧100Hz或120Hz之供應電源，而其中取樣頻率為示意目的，實施時可依實際需求而調整。例如，若已知產品應用環境之公共供電系統為 50Hz，就可使取樣頻率為100Hz而不必為600Hz，且取樣後也不必須平均。

又參照第1圖，其中環境光偵測裝置10可又包含一遮光像素PA，像素11接受偵測曝光所產生之曝光輸出(EO)分別與遮光像素之曝光輸出(ED)具有一相減結果(EO-ED)，相減之目的為消除背景造成之雜訊，例如熱電流等。因此，相減結果代表單純因偵測環境光而產生之輸出，而讀取電路分別讀取各曝光輸出之相減結果(EO-ED)並產生數位化編碼。

此外，環境光偵測裝置10可進行兩階段的偵測曝光，第一階段的目的在判斷環境光亮度的目前動態範圍，而當已知環境光亮度的目前動態範圍後，第二階段的每次偵測即可單純以該範圍所對應的時間來對像素11進行單次曝光，而不再需要多次曝光，亦即環境光偵測裝置10可具有複數次第一階段偵測曝光以及至少一次第二階段偵測曝光。在第二階段偵測曝光時，若發現環境光的亮度改變至範圍外時，可再回到第一階段再進行複數次第一階段偵測曝光以重新判斷環境光亮度的目前動態範圍。此外，亦可定時進行第一階段偵測曝光來做亮度檢查。

參照第6圖，其中顯示本發明另一實施例之環境光偵測裝置20。環境光偵測裝置20包括複數個像素21、一讀取電路12、以及一組合元件13。其中，複數個像素21分別具有不同感光面積以偵測不同之動態範圍而產生對應的偵測曝光值。本發明的第一實施例是對像素11進行複數次偵測曝光，本實施例則是使複數個像素21分別具有不同感光面積，同樣可達成偵測不同動態範圍的目的。本實施例中，可僅對像素21進行單次偵測曝光，但當然亦可對像素21進行複數次偵測曝光，亦即可組合第一實施例與本實施例，而在偵測曝光次數和像素感光面積上都予以變化。與第一實施例相似，讀取電路分別讀取偵測曝光並產生對應之數位化編碼，表示偵測曝光值，而組合元件可用各種方式組合前述偵測曝光之數位化編碼並產生一曝光編碼組合(參照第3、4圖，符號EC、EC1)。

又參照第6圖，其中環境光偵測裝置可又包含一遮光像素PA，像素21接受偵測曝光所產生之曝光輸出(EO1)分別與遮光像素之曝光輸出(ED1)具有一相減結果(EO1-ED1)，相減之目的為消除背景造成之雜訊，例如熱電流等。因此，相減結果代表單純因偵測環境光而產生之輸出，而讀取電路分別讀取各曝光輸出之相減結果(EO1-ED1)並產生數位化編碼。

此外，本實施例之環境光偵測裝置20同樣可進行兩階段的偵測曝光，第一階段的目的在判斷環境光亮度的目前動態範圍，而當已知環境光亮度的目前動態範圍後，第二階段即可單純以該範圍所對應之感光面積的像素21來進行曝光，而不需要開啟所有的像素21，以節省能耗。在第二階段偵測曝光時，若發現環境光的亮度改變至範圍外時，可再回到第一階段開啟不同感光面積的像素21以重新判斷環境光亮度的目前動態範圍。此外，亦可定時進行第一階段偵測曝光來做亮度檢查。

第7圖顯示本發明的另一實施例；在本實施例中，環境光偵測裝置30包括複數個像素31a、31b、31c(圖示三個僅為舉例，實施時數目不受此限)、一讀取電路12、以及一組合元件13。如第8圖所示，該複數個像素31a、31b、31c分別接受不同的曝光時間T1、T2、T3以偵測不同之動態範圍而產生對應的偵測曝光值。在第1圖的實施例中，是針對同一像素進行三次不同時間的偵測曝光，而本實施例則是針對不同像素分別進行不同時間的偵測曝光，相較之下，本實施例的優點是不同像素的曝光時間T1、T2、T3可以(但非必須)重疊，因此相對於第1圖的實施例，本實施例的曝光所需總時間較少，而第一實施例的優點則是曝光控制機制較為簡單。

當然，第一實施例和本實施例可以互相組合，例如第9圖顯示，可以使用兩個像素31a、31b來達成三種(或更多種)不同時間的偵測曝光。

又，第6圖的實施例也可以和以上實施例互相組合，亦即在第8、9圖的實施例中，複數像素31a、31b、31c可以各為不同的尺寸大小，或部分像素為相同而其他像素為不同的尺寸大小。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。舉例而言，在像素與讀取電路中插入訊號取樣元件等，皆符合本發明之特徵。就但本發明當然亦可應用於其他小型攜帶式電子裝置上、或大尺寸的其他裝置上。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10、20、30‧‧‧環境光偵測裝置

11、21、31a、31b、31c‧‧‧像素

12‧‧‧讀取電路

13‧‧‧組合元件

D1、D2、D3‧‧‧數位化編碼範圍

E1、E2、E3‧‧‧偵測曝光

E21、E31‧‧‧部份偵測曝光

E211、E311‧‧‧加權部份偵測曝光

EC、EC1‧‧‧曝光編碼組合

F‧‧‧取樣

PA‧‧‧遮光像素

R1、R2、R3‧‧‧動態範圍

T1、T2、T3‧‧‧曝光時間

第1圖顯示本發明一實施例之環境光偵測裝置。

第2圖顯示偵測曝光之數位化編碼與動態範圍。

第3圖顯示本發明一實施例之偵測曝光與曝光編碼組合之關係。

第4圖顯示本發明另一實施例之偵測曝光與曝光編碼組合之關係。

第5圖顯示取樣頻率與輸入電源之關係。

第6圖顯示本發明另一實施例之環境光偵測裝置。

第7圖顯示本發明另一實施例之環境光偵測裝置。

第8、9圖顯示偵測曝光之時序安排的兩個實施例。

10‧‧‧環境光偵測裝置

11‧‧‧像素

12‧‧‧讀取電路

13‧‧‧組合元件

PA‧‧‧遮光像素

Claims

一種環境光偵測裝置，其包含：至少一像素，該像素接受複數次偵測曝光，該些偵測曝光係分別具有不同曝光時間以偵測不同之動態範圍；一讀取電路，分別讀取該些偵測曝光並產生對應之數位化編碼；以及一組合元件，組合該些偵測曝光之數位化編碼並產生一曝光編碼組合以代表對環境光的偵測結果，其中，該曝光編碼組合之解析度高於該些偵測曝光各自之解析度。
如申請專利範圍第1項所述之環境光偵測裝置，其中該些偵測曝光包含一第一動態範圍(Rx)之偵測曝光與一第二動態範圍(Ry)之偵測曝光，該第一動態範圍之偵測曝光在其和第二動態範圍相減之動態範圍(Rx-Ry)內所對應之部分偵測曝光具有之解析度高於該第一動態範圍之其他部分偵測曝光之解析度。
如申請專利範圍第3項所述之環境光偵測裝置，其中該曝光編碼組合中至少包含該部分偵測曝光之對應數位化編碼。
如申請專利範圍第3項所述之環境光偵測裝置，其中該曝光編碼組合中至少包含該部分偵測曝光之對應數位化編碼之加權值。
如申請專利範圍第1項所述之環境光偵測裝置，其中該些偵測曝光之取樣頻率為600Hz或其倍數之頻率
如申請專利範圍第1項所述之環境光偵測裝置，其中該環境光偵測裝置又包含一遮光像素，前述像素接受偵測曝光所產生之曝光輸出(EO)分別與該遮光像素之曝光輸出(ED)具有一相減結果(EO-ED)，該讀取電路分別根據該些相減結果(EO-ED)產生前述數位化編碼。
如申請專利範圍第1項所述之環境光偵測裝置，其中該些偵測曝光包含複數次第一階段偵測曝光以及至少一次第二階段偵測曝光，該環境光偵測裝置利用該些第一階段偵測曝光以決定環境光之目前動態範圍，而該像素根據該環境光之目前動態範圍以接受該第二階段偵測曝光。
一種環境光偵測裝置，其包含：複數個像素，其分別接受至少一次偵測曝光，以分別偵測不同之動態範圍；一讀取電路，分別讀取該些偵測曝光並產生對應之數位化編碼；以及一組合元件，組合該些偵測曝光之數位化編碼並產生一曝光編碼組合以代表對環境光的偵測結果，其中，該曝光編碼組合之解析度高於該些偵測曝光各自之解析度。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該些像素分別具有不同的感光面積。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該些像素分別接受不同的曝光時間。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該些偵測曝光具有一第一動態範圍(Rx)之偵測曝光與一第二動態範圍(Ry)之偵測曝光，該第一動態範圍之偵測曝光在其和第二動態範圍相減之動態範圍內(Rx-Ry)內所對應之部分偵測曝光具有之解析度高於該第一動態範圍之其他部分偵測曝光之解析度。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該曝光編碼組合中至少包含該部分偵測曝光之對應數位化編碼。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該曝光編碼組合中至少包含該部分偵測曝光之對應數位化編碼之加權值。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該些偵測曝光之取樣頻率為600Hz或其倍數之頻率。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該環境光偵測裝置又包含一遮光像素，前述像素接受偵測曝光所產生之曝光輸出(EO1)分別與該遮光像素之曝光輸出(ED1)具有一相減結果(EO1-ED1)，該讀取電路分別根據該些相減結果(EO1-ED1)產生該些數位化編碼。
如申請專利範圍第8項所述之環境光偵測裝置，其中該些偵測曝光包含複數次第一階段偵測曝光以及至少一次第二階段偵測曝光，該環境光偵測裝置利用該些第一階段偵測曝光以決定環境光之目前動態範圍，而該像素根據該環境光之目前動態範圍以接受該第二階段偵測曝光。
一種環境光偵測方法，包含：偵測環境光以取得複數較低解析度的偵測曝光值，各偵測曝光值分別對應於不同的動態範圍；以及組合該複數較低解析度的偵測曝光值而產生一較高解析度的曝光編碼組合，以代表對環境光的偵測結果。
如申請專利範圍第17項所述之環境光偵測方法，其中該複數較低解析度的偵測曝光值係藉由複數次偵測曝光而得。
如申請專利範圍第17項所述之環境光偵測方法，其中該複數較低解析度的偵測曝光值係藉由對不同感光面積之像素進行曝光而得。
如申請專利範圍第17項所述之環境光偵測方法，其中該複數較低解析度的偵測曝光值係藉由對不同之像素進行曝光而得。
如申請專利範圍第17項所述之環境光偵測方法，其中每一偵測曝光值係以600Hz或其倍數之頻率取樣30次或其倍數後之平均值。
如申請專利範圍第17項所述之環境光偵測方法，更包含：獲得對環境光的偵測結果後，決定最合適的較低解析度動態範圍，並以該較低解析度來偵測環境光。