TWI251329B - Optical image detector and method for controlling illumination of the same - Google Patents

Description

1251329 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一

制光源的売度與一電子快門，而 ，依偵測到的光學影像來控 而改善光學影像的品質及最 佳化功率供應的消耗。 【先前技術】 本發明是在2001年6月25曰提申之美國專利申請第 09/888,887案號之延續案，故其内容在本發明中一併併入 參考。 通常，光學影像偵測器比如光學滑鼠是具有定量光源 的·^置，以光源之光投射於一物體並經由物體所反射之投 射光來偵測該物體之（光學）影像。 特別是光學滑鼠裝置是不斷從底面接收光反射，也就 疋光源是刻意不斷的照射。所以光源之電流消耗是主要的 功率消耗。 如圖1所繪不’此種接收反射光線以偵測該物體影像 之光學影像债測器’包括一光源10、一影像感測器12、一 電子快門13、一類比至數位(A/D)轉換器14、一影像處理 器15及一系統控制器16。 光源10放射一固定亮度的光，同時光學影像感測器 12接收自物體反射的反射光線，並根據接收光線量來輸出 一光電壓（或光電流）。 l2sl329 1 5442pif.doc 門13回應快門控制訊號以接收並累積光電壓 (:二快門時間’從光學影像感測器12輸 取―光學信號以及㈣積的光電流或光電壓擷 數位14將好朗13餘触學信號轉換成 衫像處理器15使用從A/D轉換器14轉換的數位信號 執仃影像處理。影像處理H b也回應數位信號以產生快 控制訊號來控制快Η開與關，並傳遞所產生的快門控制 號到電子快門13。 系，控制H 16接收從影像處理器15輸出的光學影像 仏说籍以驅動系統以輸出所收到的影像訊號。 最近半導體元件的大量整合性加強，影像處理器Η 也玎以同時具系統控制器16之功能。 對於此類光學影像偵測器之裝備與作業方式，當來自 光源10的亮光足夠或在物體π上的光反射性夠高時，則 有足夠亮的反射光線投射至光學影像感測器12。因此，即 使電子快門的曝光時間很短，光學影像感測器12所輪入的 光學信號相對光學影像雜訊的比例很高，而得到穩定P 像品質。 〜、衫 然而，當光源10亮度不足，或物體11的反射性低時， 無法有足夠的反射光線照射至光學影像感測器12。在此情 況下，電子快門13的曝光時間會增加以便讓光學影像感^ 器12得到足量的反射光，而得到物體丨丨的精確影像。、 7 I25132^442pi,do 圖2所繪示疋一整合電路，其中光學影像感測器12 與圖1之電子快門13是相連結的。 如圖2所繪示電路是包括一發光二極體pD以產生與 投射光量相關的光電流，一電晶體Q1以放大發光二極體 PD產生的光電流，一充電電容器c以產生與電晶體Qi放 大之光電流成比例之電壓訊號，一第一開關SW1將充電電 容器C充電以重置調整信號，與一第二開關SW2以因應 快門控制信號而控制電晶體Q1之路徑。 前述圖2配置之執行作業描述如下。 首先，重置訊號用於第一開關SW1以執行起始化作 業，關閉第一開關SW1 ’將驅動功率應用到電容器c，讓 電容為C產生相關於驅動功率的電荷。 當起始化作業完成，發光二極體PD產生的光電流是 與入射光的量成比例。產生的光電流以電晶體Qi的電流 放大因子Hfe被放大。 在此狀態，快門控制信號應用到第二開關SW2，第二 開關SW2被打開，且電容器c的充電電荷依被放大的光 電流比例而放電。而依被產生電流之比例產生光訊號。 後續當快門關閉時期與快門控制訊號被應用到第二 開關SW2，苐一開關SW2被關閉且所產生的光訊號經過 緩衝器20而呈現飽和狀態且被輸出。 以此方式，當投射光總量在發光二極體上不足時，第 二開關SW2之功能如電子快門會被打開一段長時間，所以 即使不足量的光也能被完全累積轉換成光訊號。此時，光 I25132942pif_d〇c 訊號包括由發光二極體與電晶辦 生性雜訊。 之雜汛源產生之一内 結果，投射在光學影像感剛哭 訊位準與絲號的亮度差異如圖；量m、的’雜 所以，當增加快門_，= 被降低的。 光訊號的亮度會與雜訊一起增加，^ ―讯5 虎的亮度時， 若如圖3Β將光訊號以影像 ，所7^。 位準與光訊號的亮度是相_，則:現’可觀察到雜訊 被混入影像中，如圖4Α所示。]會有問題產生因為雜訊 進一步觀察到，在昔知膠片式 的開啟時間變長，會產生殘留影傻铖;f田电子快門 被偵測到，還有其他i胃物體影像動作 重，如圖4B所示。11殘#像效果變得越來越嚴 【發明内容】 為了克服上述問題，本發明之 像偵測器與方法，能有效控制光 二種先子- 及通:因党度不；i導致的殘留影像以及制較佳的影像。 挪制方Γ明之另—目的提供—種光學影像_器與亮度 二依據-物體反射之光訊號來直接控制光源之亮 度’可以預防不必要的功率消耗，節省對光源之功率供應。 ^為了達到上述目的，本發明之又一目的提出一種光學 影像偵測器之組成：一光源以控制亮度回應亮度控制訊號 與輻射光以控制物件上的亮度；一影像感測器以偵測從物 體反射之光線量，並依所產生輸出影像訊號。一影像處理 1251329 1 5442pif.doc 為，運用影像訊號計算一快門開啟時間，將計算所得 門開啟時間與至少最大與最小快門開啟時間之一來=較，、 且依據比較所得結果以產生並輸出該亮度控制訊號。 ^為了達到上述目的，本發明之再一目的提出一種光與 影像制ϋ組成，包括：—光源以控制亮度用來回鹿 控制訊號與在物件上已受馳繼反料亮度， 測杰用以產生與輸出正比於物體反射光量之一光電流；1 電子快門、，，㈣積光電流的電子快Π在快π開啟時間已到 達且產生並輸ώ影像訊肋應累㈣光電流時，從影像感 =的轉換以回應快門控制訊號；且—影像處理器用料 ,影像訊鮮均值，比較影像訊料算平均錢採用最大 =制鮮^快門控制訊號，其中快門控制訊號的取得是依 ?象比季父所彳于數值。 為了達到上述目的，本發明之次一目的在提出一方法 =制在光學影像細指上的亮度，方法步驟包括··使用 快門時間’且計算所得之該快門開啟時間 較二ί戶，j、的快門開啟時間至少其中之-作比 曰狀快門開啟時間小於最大快門開啟時間， 算所Γ = :=門，時間’則維持現有光源亮度；當計 ΐ有I源亮度’間小於最小快⑽啟時間時’則降低 以目的’本發明之更—目的在提供一方法 工制先切像偵測器的亮度，方法步驟包括：計算-影 10 !251329 1 5442pif.doc 像訊號平均值，且此計算影像訊號所得之平均值盘預設之 最大與最小影像訊號平均值至少一項比較；當計算 快門開啟時間小於最大快門開啟時間，且大於最小的快門 ，，啊’則維持财光源的亮度與快門開啟時間；當 =鼻影像訊賴得之快⑽啟_大於最大快⑽啟時^ 二光源亮度與㈣_ ; #計算影像訊號所 於最小快門開敬時間時，增加現有光 【實施方式】 本發明將以圖式、較佳實施例揭露 ’任何熟習此技藝者，在不脫離本二: 護ιΓ圍^ = #可作Ϊ許之更動與潤飾’因此本發明之保 田寻後附之申凊專利範圍所界定者為準。 之架；^繪不是依據本發明之第一實施例的光學影像偵測 -#、=π考圖5，本發明之光學影像偵測11之架構包括： 她Ϊ —影像感難52、—電子快Η 53、- A/D韓 美态54、一影像處理器55與系統控制器％。 :應接收到的光量，影像感測器52從物件5i接收光 反射並產生輸出光電壓（或光電流）。 起時J子二接二且電取或光電流)’在快門開 1❼像—52輪出，且從累積光電壓(或光電 1251329 1 5442pif.doc 流)擷取並輸出光訊號。 你-二ί換器54將光訊號轉換，從電子快門53擷取無 位舅§fl並輸出轉換結果。 貞取數 柿用理益55接收數位訊號透過轉換器54轉摻，廿 使用接收到的數位影像執行影像處理。 、並 在此影像處理器55由電子快以找了最大快 日守曰Tmax與最小快門開啟時間Tmin並儲存前述資料广 然後’影像處理器55運用由光學影像感測 數位訊號來計算快門·日㈣，比較所計算制的== 啟時間與預存在電子快Η 53的快Η開啟時間，並產生古^ 控制訊號回應比較的結果。 π度 壳度控制訊號可以是脈衝放大模組ΡΑΜ訊號卷 衝訊號，依據比較結果調整脈衝的振幅。 氏 進一步的壳度控制訊號可以是脈衝寬度調節（脈衝 制PWM)或脈衝滯留時間調節(脈（波）期調變PDM)，當 作脈衝訊號調節脈衝寬度，或類比電壓或電流，依 果來改變。 Ό 系統控制為56接收從影像處理器55輸出的影像，且 驅動系統輸出所接收的影像訊號。 圖5中的光學影像感測器序述，影像處理器^控制 光源5 0之亮度，但系統控制器5 6也可以在需要^的^ 控制免度。

圖6是流程圖用來解釋圖5中影像處理器控制宾产的 流程方法。 〜X 1251329 1 5442pif.doc 光學影像感測Ilf要回應接收到的數位訊號以計算 快門開啟時間（S11)。 電子快門53計算快門開啟時間Tsh_r並與先前設定 儲存(S12)的最大值Tmax做比較。 比較結果，如果電子快Η 53的快⑽啟時間⑽ 大於先前設定儲存的最大值Tmax，财確認是否現有的光 源50是在最大值(S13)。根據確認結果，如果確認結果發 現現有的光源5G不是在最大值，則亮度控制信號以加強光 源50之亮度會產生並輸出（s 14)。 亮度控制訊號的增加或減少光源5〇之亮度，是階段 性的。 無論如何，如果現有的光源5〇已經是透過步驟(sl3) 提供最大值，則決定光源50之亮度已經不用再被加強。所 以，壳度控制訊號維持現有的亮度輪出狀態並以此輸出 (S15)。 與步驟S12比較，如果電子快n 53雜門開啟時間

Tshutter小於先前設定儲存的最小值Tmin，則會再比較先前 設定儲存的最小值Tmin (S16)。 根據步驟(S16)比較結果，如果電子快門y的快門開 啟日才間Tshutter確認大於最小快門開啟時間Tsh⑽，則亮度 控制信號維持現有之亮度來產生並輸出（S15)。如果不是如 此，則檢查先前光源亮度50是否為最小值(S17)。 根據步驟(S17)比較結果，如果前述光源5〇之亮度以 經是最小亮度，則決定光源50之亮度不需再被調低。所以 A^U29 l 5442Pif.d〇( 若非如此見源的亮度’控制訊號被產生並輸出（S15)。 生並輪出（SI’8)疋降低現有光源的亮度’則控制訊號會被產 圖6描述用| 計算預期的快木匕制亮度之方法是以接收一幅畫面，來 開啟時間。如門，啟時間並產生亮度控制信號以回應快門 所需的快門^果^要，圖6之方法也可以計算多數個畫面 時間。、汗啟時間並產生亮度控制信號以回應快門開啟 如前戶斤干 像感測器隨日_= t的光學影像感測11的設計是允許影 所以^接收足夏的光以直接控制光源亮度。 啟時間來讀Γ像傳統的光學影像感測器必須增加快門開 可以事前預Γΐ感測器接收足量的光。更進—步的是可能 延長快啟;像效果，這兩種缺陷都是因為 的結^。7緣不是本發明第二實施例中之光學影像制器 55來二t學影細器的結構允許圖5之影像處理器 開關時^。之党度’同時也控制電子快門53之快門 辨識在％件執打如^ 5之相同仙與相同編碼方便 ^且相同細節也不再贅述。 更 _ 考L7，影像處理器61接收數位訊號透過 理。換。Q 54轉換，且依接收到的數位訊號執行影像處 1251329 1 5 442pif.doc f至衫像處理器61設定並儲存影像感測器52之數 傻的最大平均值PmaX與最小平均值P_，在此，影 感:為52必須先獲得正確的物件影像。 ，影像處理器61計算數位訊號平均值Avg(Pij)以 二=二旦面’比較計算所得的數位資訊、之平均值Αν# =存的最大平均Ρ_與最小p_平均值，同時產生亮度 工制虎與快門控制訊號，比較結果列入考量。 男#二陕^開啟時，電子快門62回應快門控制訊號通過 =理為61以接收並累積光電壓（或光電流），再從影像 ，測器52輪出’且當快門關閉時，繼續從累積的光電壓(或 光電流)擷取並輪出光學訊號。 圖8繪示解釋圖7中之光學影像偵測器控制亮度與快 門的方法流程圖。 ，位貝矾的數位訊號平均值Avg(Pij)輸出是從影像 感測器52輸出，以ixj軸距陣做計算(S21)。 計算所得之數位訊號巧的平均值Avg(Py〇與先前預設 儲存的最大平均Pmax與最小Pmin平均值作比較(S22)。 針對比較結果，如果數位訊號Pij的平均值Avg(Pij)大 於數位訊號h的最大平均值Pmax，則現有光源50的亮度 會被降低(S23)。 ^被降低的光源5〇之亮度是否為最小值(S24)也會被確 涊檢驗。檢驗的結果，如果被降低的光源5〇之亮度非為最 小值’則透過步驟23以改變亮度控制信號來改變現階段光 源50之壳度，以產生並輸出訊號(S25)。 1251329 1 5442pif.d〇c 如果透過步驟S24檢杳至丨丨曰、k、広 最小值P一則決定現有光源5〇二:5:=度已經 而取樣速率會被升高(S26)。、、顧被降低’然 合被樣速率的升高’相對的快門開起時間 i輪出⑽7) 伴隨降低的快門開起時間被產生 =步驟22的比較結果，如果數位訊 AVg(PijH於最大平均值^，數位訊 均值AV_再與最小平均值Pmin比較(S28)。 、、^^、步驟S28啸，若數位鮮 :再:=， 增加亮度的杨50是衫光源5G所提供的最大值 (二)會被確認:檢纽果，如果現階段亮度的光源％不 值，則透過步驟S29之-亮度控制信號以改變現階 光源50的亮度訊號被產生且被輸出（S25)。 然而’如果現階段光源5G的亮度已經是最大值，則確 、>源50的冗度已經不能再被增加，所以取樣速率要被降 低(S31) 〇 此時快門開起時間要被增加以回應透過步驟31造成 的取樣速率的下降，㈣快Η控制訊號伴隨延錢快門開 啟時間會被產生且輸出（S32)。 -根據步驟28的比較結果，如果數位訊號？1』的計算平 句值Avg(Pij)大於最小平均值則亮度控訊號與快門控 1251329 1 5442pif.doc 制訊號維持現有光源50的亮度狀況，且快門開啟時間會被 各別產生並輪出（S33)。 圖8控制亮度之方法描述以產生亮度控制訊號來的結 果來控制光源的亮度。如果需要，圖8之方法藉著累積& 次量測結果，可以產生亮度控制訊號以控制光源亮度。 甚至’圖8控制党度之方法被引述以接收畫面來計管 數位訊號平均值以產生亮度控訊號與快門控制訊號回應g 位訊號的平均值。如果需要，圖8之方法可以使用預定時 間内接收到的數個畫面計算數位訊號平均值，並產生亮^ 5孔號控制回應數位訊號之計算平均值。 如前所述，圖8之光學影像偵測器是設計來控制光源 免度且控制當光源亮度不受約制時，電子快門的開起時間 所以圖8之光學影像偵測器能藉著控制亮度與曝光時 間來移除雜訊與殘餘影像且可以特意控制影像扭曲與特= 果例如殘餘影像。 、、 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之= 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 ” 如先前所述，本發明的光源亮度控制解決光學影像 缺乏足量光源所產生的雜訊與殘餘影像，所以物件影 以被清楚獲得。 、 甚至，光源亮度與快門可被直接控制，所以功率 省與降低不必要電力消耗是可以被預期的。 即 1251329 15442pif. doc 必須瞭解熟習此技藝實施例繪示及說明如上，但 下改變前述及其他之形式及細Ξ脫離本發明之精神及範圍 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的 易懂，下文特舉較佳實施例，並 ς =點能更明顯 明如下。 卿圖式，作詳細說 ，1是緣示習知光學影像翻器之 一旦/圖2是纷示習知光學影像感測器之詳 一影像感測器與習知光學影像偵翊器 電路圖，顯示 圖3Α與3Β繪示對應的是習知:二f子快門。 波形圖。 予衫像偵测器之光學 圖4A與4B是緣示習知光學 圖5之區塊輯示的是本發明之之影像圖。 一實施例。 九予衫像感測器之第 圖6繪示是圖5之光學影 的方法流程圖。 篆偵冽為用以解釋控制亮度 圖7繪示區塊圖是本發 每 測器顯示。 弟—只施例中之光學影像偵 圖8繞示是圖7之光學影 的方法流程圖。 貝列為用來解釋控制亮度 【主要元件符號說明】 10光源 11、51物件 1251329 1 5442pif.doc 12光學影像感測器 13電子快門 14 A/D轉換器 15影像處理器 16系統控制器 20緩衝器 50光源 52光學影像感測器 53、62電子快門 54 A/D轉換器 55、61影像處理器 56系統控制器

Claims (1)

1251329 1 5442pif.doc 十、申請專利範圍： i·，種光學影像彳貞測器’包括·· 光/原、，對應一亮度控制訊號以控制亮 被控制亮度的光至—物件； 4且照射該已 一影像感測器，偵測從該物體反射之光量，並因應 測到的光量而產生且輸出影像訊號；以及 μ、 一影像處理器，運用影像訊號計算一快門開啟時間，

將計算所得之快門開啟時間與多少最大與最小快門開啟時 間之一來比較，且依據比較所得結果以產生並輪出：古： 控制訊號。 印邊冗度 * 2·如申請專利範圍第1頊所述之光學影像偵測器，盆 中當計算所得之快門開啟時間小於最大快門開啟時間且^ 於最小快門開啟時間時，影像處理器保持光源先前之亮 度；當計算所得之快門開啟時間大於最大快門開啟時g 時，影像處理器增強光源先前之亮度；當計算所得之快

開啟時間小於最小快門開啟時間時，影像處理器降低光源 先前之亮度。 3·如申請專利範圍第1頊所述之光學影像偵測器，其 中影像感測器包括具有固定開啟與關閉時段的一電子快 Π ° N 4·如申請專利範圍第丨頊所述之光學影像偵測器，其 中壳度控制訊號是一脈衝訊號，而其振幅依比較所得之結 果來調整。 5·如申請專利範圍第丨頊所述之光學影像偵測器，其 20 I25132942pird〇c Φ > t· Λ申4專利範圍第1項所述之光學影像偵測器，A 中冗度控制訊號料光源的亮度階段性增加或減少。” 7_ :種光學影像偵測器組成，包括： 控制;ΐ:光度控制訊號以控制亮度㈣ 比例2::，產生或輸出與從該物件反射之光量成 制二電Γ决門’當一快門開啟時間到達時因應-快門控 像感測11所傳遞之光電流，且因應累積 之先電流而產生並輸出影像訊號；以及 二=:較;產果=亮度控制訊號與快門控 成L如山申請專利範圍第7項所述之光學影像债測器組 =大二=像ί號計算所得平均值小於最大計算平均值 快均值時’影像處理11保持核之亮度與 信3/守間’备影像訊號計算所得平均值大於最大平均 先前之亮度與快門開啟時間；當影像訊號計算 二=:均值小於最小平均值時’提高先前之亮 9·如申請專利第7項所述之光學影像彳貞測器組 1251329 1 5442pif.doc 成’其中亮度控龍號是-脈衝訊號，其振幅依 之結果來調整。 、10. ^申請專利翻第7顧狀光學影像侧器組 成，其中亮度控制訊號是一脈衝訊號，其脈波寬度依比 所得之結果來調整。 、又乂 11. 如申請專利範圍« 7項所述之光學影像债測哭缸 成，其中亮度控制訊號引導光源的亮度階段性增加或減少。

12. —種控制光學影像偵測器亮度的方法，包括下列 步驟： 運用影像訊號來計算以得到一快門開啟時間，且與至 少現存最大與最小之快門開啟時間之一來比較； /、 當計算所得之該快門開啟時間小於最大快門開啟時 間且大於最小快門開啟時間時，維持一光源之一現有亮度； 當计异所得之該快門開啟時間大於最大快門開啟時 間時’增強該光源之該現有亮度；以及

當計算所得之該快門開啟時間小於最小快門開啟時 間時，降低該光源之該現有亮度。 13. —種控制光學影像偵測器亮度的方法，包括下 步驟： 计异影像訊號之一平均值且與至少現存最大與最小 之衫像訊號平均值之一來比較； 當影像訊號計算所得之該平均值小於最大平均值且 大於最小平均值時，維持之前光源亮度與快門開啟時間； 當計算所得之影像訊號之該平均值大於最大平均值 22 1251329 1 5442pif.doc 時，降低先前光源亮度與快門開啟時間；以及 當影像訊號計算所得之平均值小於最小平均值時，提 高先前光源亮度與快門開啟時間。 14. 如申請專利範圍第13項所述之控制光學影像偵 測器亮度的方法，其中降低快門開啟時間的步驟更包括： 當影像訊號計算所得之該平均值大於最大平均值 時，降低先前亮度；以及 當降低的亮度是光源所提供的最小值時，降低快門開 啟時間。 15. 如申請專利範圍第13項所述之控制光學影像偵 測器亮度的方法，其中提高快門開啟時間的步驟更包括·· 當影像訊號計算所得之該平均值小於最小平均值 時，增加先前亮度；以及 當增加的亮度是光源所提供的最大值時，降低快門開 啟時間。

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