专利名称：光学鼠标及其图像撷取芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学鼠标的图像撷取芯片，特别涉及可加速曝光速度的图像撷取芯片。
背景技术：
随着影音多媒体的盛行，数字图像化已渐渐成为趋势，并逐渐取代传统模拟式的电子设备，例如数字相机、数字摄影机以及光学鼠标等产品的推出，代表着图像数字化时代的来临。而在上述产品中，最重要的组件即是用以控制数字图像的平均曝光量的图像感测器；该图像感测器是利用底片曝光的原理，依据一图像的光度(illumination)来调整该图像感测器内部的曝光参数，用以决定曝光时间以及平均曝光量，因此，该图像的光度为曝光过度或曝光不足时，则透过调整该图像感测器的曝光参数，即可将该图像感测器的平均曝光量收敛至正常曝光量。
图1A是表示典型互补型金属氧化物半导体图像感测器芯片(CMOSimage sensor chip)10的示意图。其中，像素单元PIX11-PIXnm分别代表单一的像素电路，当图像感测芯片10读取一图像时，首先利用信号读出电路130以一次读取一行的方式，存取该阵列100中的像素信号；接着，利用放大器150依序地将储存在读出电路130中的多个像素信号放大；分次以该模拟/数字转换器170将多个个像素信号转换成数字信号，以提供该数字信号处理器(DSP)11做进一步的处理，例如，计算该图像感测器的平均曝光量或显示数字图像等。
图1B为图1A中的像素电路阵列100电路示意图。其中，当重置信号RES控制NMOS电晶体M2导通时，发光二极管PD的跨压将充电到Vrst，而每个信号读出单元均具有一储能元件，当像素选取信号控制NMOS电晶体M3导通时，则发光二极管PD上的跨压将经由NMOS电晶体M1转换成电流，并储存于信号读出电路130中的储能元件之中，亦即此储能元件所储存的电荷量即为相对应像素单元所感测的受光量。
因此，若将发光二极管PD的照光强度与照光时间视为曝光强度与曝光时间，由“曝光量＝曝光强度*曝光时间”可知，调整曝光时间或照光时间即可改变该像素单元的曝光量；换言之，若要使曝光量保持一个定值，则当曝光强度越大时，则须减少曝光时间；当曝光强度越小时，则须增加曝光时间，以维持固定的像素单元曝光量。
一般可使用曝光参数值来调整该图像感测器的曝光时间，来改变图像感测器的平均曝光量；已知技术乃以分次递减或分次递增一个预设值的线性方式来调整曝光参数值，不过，当预设值设定太大时，容易造成数字图像的亮度呈现大幅度的变动以及曝光参数无法收敛的情况；当预设值设定太小时，若该图像的光度呈现大幅度的改变，例如在短时间由正常曝光量突增至过度曝光或是突减至曝光不足时，将会造成曝光的收敛速度缓慢，致使数字图像呈现长时间的过亮或过暗现象，而影响该数字图像的输出品质。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种图像撷取芯片，可依据撷取图像的亮度来判断是否调整曝光参数，并可达到加速曝光收敛速度的目的。
依据上述的目的，本发明提出一种图像撷取芯片，包括图像感测器，具有多个感测单元，依据曝光参数值，用以撷取图像，以产生多个相对应的曝光量；计算逻辑电路，用于平均多个曝光量，以产生平均曝光量；以及曝光参数更新逻辑电路，可用来判断平均曝光量是否符合调整曝光参数值的条件，以决定是否进行曝光参数的调整；当平均曝光量位于正常曝光区时，则保持曝光参数值不变；当平均曝光量位于过度曝光区或曝光不足区时，则依据曝光参数值的极值来进行调整曝光参数值。
除此之外，本发明更提出一图像撷取芯片，是先依据一图像品质的判断条件，来判断单张图像的特征值后，再决定是否进行曝光参数的调整，以增加图像撷取芯片的撷取速度。
依据上述目的，本发明提出一图像撷取芯片，包括一图像感测器、一计算逻辑电路以及一曝光参数更新逻辑电路。其中，图像感测器是依据曝光参数值产生多个曝光量；而计算逻辑电路是依据上述的多个曝光量，来产生一平均曝光量；而曝光参数更新逻辑电路，至少包括一鉴别逻辑电路，用于判断图像是否符合一图像品质条件。
当图像符合图像品质条件时，即使平均曝光量位于正常曝光区、过度曝光区或曝光不足区，曝光参数更新逻辑电路能然保持曝光参数值不变，以使图像感测器撷取下一图像；又，当图像不符合图像品质条件时，且平均曝光量位于过度曝光区或曝光不足区时，才进行曝光参数的调整。
另外，上述的图像撷取芯片均可装置于一光学鼠标，利用上述的图像撷取芯片来进行相关的图像处理，可增加光学鼠标操控的灵敏度。
为了达到上述的目的，本发明提出一种光学鼠标，包括光源装置，用以对物件进行照射；光学镜片，用以投射该物件的反射图像，而产生投射图像；图像感测器，具有多个感测单元，依据曝光参数值，用以撷取该投射图像，以产生多个相对应的曝光量；计算逻辑电路，用于平均多个曝光量，以产生平均曝光量；以及曝光参数更新逻辑电路，至少包括一鉴别逻辑电路，用于判断图像是否符合一图像品质条件。
其中，曝光参数更新逻辑电路可先判断平均曝光量位于正常曝光区、过度曝光区或曝光不足区之后，再进行判断撷取的图像是否符合图像品质条件，以决定是否调整曝光参数值；或，可先判断撷取的图像是否符合图像品质条件，再判断平均曝光量位于正常曝光区、过度曝光区或曝光不足区之后，以决定是否调整曝光参数。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图简述图1A表示为典型的CMOS图像感测器电路图。
图1B表示为图1A中的像素电路阵列100电路示意图。
图2表示为依据本发明的图像撷取芯片的方块图。
图3表示为依据本发明的曝光参数调整示意图。
图4表示为图像感测器读取一图像的时序图。
图5表示为曝光时间与不曝光时间的调整示意图。
图6表示为依据本发明的光学鼠标的示意图。
图7是表示依据本发明的图像撷取方法的流程图。
附图符号说明
10～CMOS图像感测器芯片；11～数字信号处理器；100～像素电路阵列；130～信号读出电路；150～可编程增益放大器；170～数字/模拟转换器；PIX11-PIXnm～像素电路阵列；Vrst～曝光电位；D1-D2～栏信号线；RES～重置信号；PD～发光二极管；M1-M3～MNOS电晶体；RSEL1-RSEL2～读取列的控制信号；Vsync～接收图像感测器数出图像的控制信号；Rsel_clk～读出信号时钟；Pix_clk～像素电路控制信号；Np～像数个数；N1～列数值；Nlfp～撷取一图像所需的几个列时间；Nppl～读取一列所需的几个像素时间；Tp～读取一像素所需的时间；TNlpf～撷取一图像的时间；TNppl～读取一列的时间；Tunexp～不曝光时间；Texp～曝光时间；RES_1-RES_n～n列的重置控制信号；Vline_1-Vline_n～n列的像素输出信号；10～最大曝光区；11～过度曝光区；20～高曝光区；30～正常曝光区；40～低曝光区；50～最小曝光区；51～曝光不足区；400～图像撷取芯片；410～图像感测器；411～图像感测单元；420～计算逻辑电路；430～曝光参数更新逻辑电路；431～鉴别逻辑电路。
具体实施例方式
本发明提出一种图像撷取芯片，可依据撷取图像的亮度来判断是否调整曝光参数，并可达到加速曝光收敛速度的目的；除此之外，更可配合一图像品质的判断条件，来判断单张图像的特征值，再决定是否进行曝光参数的调整，以增加图像撷取芯片的撷取速度。
图2表示为依据本发明的图像撷取芯片的方块图。图像撷取芯片400包括图像感测器410、计算逻辑电路420以及曝光参数更新逻辑电路430，其中，图像感测器410是由多个个图像感测单元411所组成。当图像撷取芯片400撷取一图像时，则多个个图像感测单元411会依据曝光参数来产生相对应的多个曝光量，经由计算逻辑电路420可运算平均多个曝光量而产生一曝光代表量。譬如说，计算逻辑电路420可以平均多个曝光量而产生一平均曝光量。依据此平均曝光量，则可使曝光参数更新逻辑电路430进行相关的曝光条件的比较，用以决定是否进行调整曝光参数，来改变图像感测器410的曝光时间，以使不符合曝光条件的平均曝光量收敛至正常曝光区。
图7是表示依据本发明的图像撷取方法的流程图。首先，设定任一曝光参数值(S102)。将曝光参数值设定图像感测器的曝光时间，用以进行一次曝光(S104)。经由信号读出单元130将该发光二极管PD上的曝光后跨压以电流形式读出，并储存对应于像素信号的电荷量，依据多个个储能元件电荷量可计算出该图像感测器的平均曝光量(S106)，并进行判断该平均曝光量是否位于正常曝光区(S108)、判断该平均曝光量是否位于过度曝光区或曝光不足区(S110)、判断该平均曝光量是否位于正常光区与过度曝光区之间(S114)以及判断该平均曝光量是否位于正常光区与曝光不足区之间(S118)。
若该平均曝光量位于一正常曝光区，则直接以该曝光参数作为下一次曝光参数(S104)；若该平均曝光量位于一过度曝光区或曝光不足区，则以该曝光参数值与一参数极值来调整该曝光参数值(S112)。例如，若该平均曝光量位于过度曝光区，则可将该曝光参数值与最小曝光参数值相加并取平均值，以作为下一次的曝光参数值；若该平均曝光量位于曝光不足区，则可将该曝光参数值与最大曝光参数值相加并取平均值，以作为下一次的曝光参数值。
若该平均曝光量位于该正常曝光区与过度曝光区之间，则将该曝光参数减去一预设值来调整该曝光参数值(S116)；若该平均曝光量位于该正常曝光区与曝光不足区之间，则将该曝光参数值加上一预设值来调整曝光参数值(S120)。
另外，若该平均曝光量均不在上述的曝光范围(S122)，则表示此时外界的光度已经超出该图像感测器所能曝光的范围，例如，图像太亮或太暗时，通常会以调整光圈或加装闪光灯等方式来辅助调整曝光参数，在此便不再赘述。
图3为依据本发明的曝光参数调整示意图，右边刻度为曝光参数范围Range_E，左边刻度则为平均曝光量范围Range_AE，其中，平均曝光量范围Range_AE区分为最大曝光区10、过度曝光区11、高曝光区20、正常曝光区30、低曝光区40、曝光不足区51以及最小曝光区50。曝光参数High值至Max_1值之间；而曝光参数范围Range_E则设定一最大值High、一最小值Low以及一参数值M，以提供图像感测器曝光参数的调整参考值。
依据本发明的图像感测器可加速曝光收敛速度；例如，若将曝光参数值的范围定义为0～255之间，设定曝光参数值的极值Min与Max分别为20与235，而M值设定为10，并将图像感测器的起始曝光参数值设定为230，进行一次曝光后，其平均曝光量若位于过度曝光区11时，则须调整曝光参数值，用以将下一次的平均曝光量收敛至正常曝光区30，在此假设当曝光参数值为90-120时，可使平均曝光量收敛至正常曝光区30；若依据本发明的自动曝光方法，将此曝光参数值230与曝光参数极值20相加并取平均值，可以计算出另一曝光参数值为125，若以曝光参数值125进行下一次的曝光，则平均曝光量可收敛至高曝光区20，此时，只要再将此曝光参数值125减去一个M值10，即可将曝光参数值调整至90-120之间；因此，依据本发明的自动曝光方法，曝光参数值230只需要两次的调整便可将平均曝光量收敛至正常曝光区30。
若依据已知的技术，设定一参数L值为20，并将曝光参数值230依次减少一个L值，则曝光参数值至少需要6次调整才能使平均曝光量收敛至正常曝光区30；由此可知，相较于已知技术，本发明的曝光收敛速度较为快速。
图4为图像感测器读取一图像的时序图，其中，Tp为像素时间，表示读取一像素所需的时间，Nppl为像素时间个数，表示读取一列所需的几个像素时间，Nlpf为列时间个数，表示读取该图像所需的几个列时间，Vsync为接收图像感测器输出像素信号的同步信号，Rsel_clk为图像感测器的读取控制信号，Pix_clk为像素阵列电路读取像素资料的控制信号。因此，读取一列时间TNppl为Nlpf*Tp，而该图像感测器撷取一图像所需的时间TNlpf为Tp*Nppl*Nlpf；例如，假设该图像感测器的Tp＝1μs，Nppl＝40，Nlpf＝20，则该图像感测器撷取图像所需的时间TNlpf(frame time)为800μs，亦即该图像感测器最长的可曝光时间为800μs，因此，图像撷取率(frame rate)为1250frame/sec。
换言之，若固定Tp以及Npp而调整Nlpf值，即可改变图像感测器的最长可曝光时间与图像撷取率，例如，可将Nlpf提高为40时，则图像感测器撷取图像所需的时间将增加为1600μs，相对地最长曝光时间将可增加至1600μs，而图像撷取率则降为625frame/sec，即可达到调整图像感测器的最长可曝光时间与图像撷取率的目的。
由图1B的说明可知，当图像感测器撷取一图像时，可利用重置信号RES来控制NMOS M2导通，用以控制发光二极管PD的照光起始时间，并控制图像感测器的曝光量。
为了调整重置信号RES的起始时间，本发明亦提出两个参数，分别为一像数个数Np与一列数值Nl，利用上述的两参数值可用来调整重置信号RES的起始时间，此重置信号RES的起始时间，亦可视为图像感测器的不曝光时间Tunexp，如下式所示Tunexp＝Tp*(Np+Nppl*Nl)＝Tp*Np+TNppl*Nl因此，由上列的式子可知，像数个数Np以及列数值Nl，可用来决定图像感测器的不曝光时间Tunexp。
例如，当Tp＝1μs，Nppl＝40，Nlpf＝20，意即最长的可曝光时间为800μs，且，假设不曝光时间相当于读取3列在加上10个像素所需的时间，则Nl设定为3，而Np设定为10，由上列式子可计算出图像感测器的不曝光时间为130μs，意即，图像感测器的不曝光时间为130μs。
而曝光时间Texp为最长的可曝光时间扣除不曝光时间，如下式所示Texp＝TNlpf-Tunexp因此，曝光时间可求得为670μs。若图像感测器因环境亮度的增加，而须调整曝光参数值以减少平均曝光量时，则可藉由改变Np与Nl参数值来调整适当的曝光时间；例如，仅增加Np值为30，即可增加不曝光时间为150μs，而曝光时间则可减少为650μs。
图5为曝光时间与不曝光时间的调整示意图，其中RES_1-RES_n为n列的重置控制信号，Vline_1-Vline-n为n列的像素输出信号，Tunexp为不曝光时间，其值可由Tp*(Np+Nppl*Nl)求得，而Texp为曝光时间，其值可由Tp*Nppl*Nlpf-Tp*(Np+Nppl*Nl)求得；一般而言，除非必要否则不会更动Nlpf的参数值，以避免影响图像撷取率。
因此，在固定图像感测器撷取一图像所需的时间TNlpf的情况下，调整不曝光时间Tunexp即可用来控制重置信号RES的起始时间，以达到间接调整图像感测器曝光时间的目的。
另外，应用本发明的图像撷取芯片的光学鼠标，只要图像感测器能够辨识图像的特征，不需对每一撷取图像进行调整曝光量，即可进行后续的图像处理。
因此，本发明的图像撷取芯片，可先判断平均曝光量位于正常曝光区、过度曝光区或曝光不足区之后，再进行判断撷取的图像是否符合图像品质条件，以决定是否调整曝光参数值；或者，可先判断撷取的图像是否符合图像品质条件，再判断平均曝光量位于正常曝光区、过度曝光区或曝光不足区之后，以决定是否调整曝光参数。
为了达到上述的目的，如图2所示，曝光参数更新逻辑电路430更包括一鉴别逻辑电路431，用来判断撷取的图像是否符合图像品质条件。
上述的图像品质条件，可利用一维的图像的特征来进行判断。例如，依据两画素的亮度判断可绘制一维图像的函数波形，计算上述函数波形的波峰以及波谷的数目即可用来判断撷取的图像特征是否符合图像品质条件。此外，亦可利用二维的图像处理方式来进行判断图像品质。例如，依据二维图像两画素的亮度判断亦可绘制二维图像波形，因此，依据二维图像的脊线与陵线的特征，即可对照一表格来判断撷取的图像是否符合图像品质条件。
本发明的图像品质判断方法并不限于本实施例，亦可利用各种图像处理方法，来对撷取的图像进行判断是否符合图像品质条件。
因此，若平均曝光量位于正常曝光区时，由于依据此时的曝光量即可清楚分辨撷取图像的特征，故不需要进行曝光参数值的调整。若平均曝光量位于过度曝光区或曝光不足区，且不符合图像品质条件时，即表示曝光参数更新逻辑电路430已经无法辨识图像的特征，故需进行曝光参数的调整；若平均曝光量位于过度曝光区或曝光不足区时，且撷取的图像符合图像品质条件时，即表示曝光参数更新逻辑电路430可辨识图像的特征，故不进行曝光参数的调整。
图6表示为依据本发明的光学鼠标的示意图。光学鼠标500包括光源装置510、光学镜片520以及依据本发明的图像撷取芯片530，其中，光源装置510是采用LED。
当LED对一物件进行照射时，其反射的光线将会经由光学镜片520而透射到图像撷取芯片530，以进行相关的图像处理动作。
关于图像撷取芯片530的动作情形已详述如上，在此便不再赘述。
本发明已揭示较佳实施例如上，仅用于帮助了解本发明的实施，非用以限定本发明的精神，而熟悉此领域技艺者于领悟本发明的精神后，在不脱离本发明的精神范围内，当可作些许更动润饰及等同的变化替换，其专利保护范围当视后附的权利要求及其等同领域而定。
权利要求
1.一种图像撷取芯片，包括一图像感测器，具有多个感测单元，依据一曝光参数值，用以撷取一图像，以产生多个相对应的曝光量；一计算逻辑电路，用于运算这些曝光量，以产生一曝光代表量；以及一曝光参数更新逻辑电路，若该曝光代表量位于一第一曝光区，用以保持该曝光参数值不变，以使该图像感测器撷取下一图像；若该曝光代表量位于一第二曝光区，则依据该曝光参数值与一第一曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一图像；以及若该曝光代表量位于一第三曝光区，则依据该曝光参数值与一第二曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一图像；其中，该第一曝光区是位于该第二曝光区与该第三曝光区之间，该第一曝光参数极值与该第二曝光参数极值是为该曝光参数值的一变化范围内的最大值以及最小值。
2.如权利要求1所述的图像撷取芯片，该曝光参数更新逻辑电路更包含一鉴别逻辑电路，用以判断相对应于该图像是否符合一图像品质条件；且，当该图像符合该图像品质条件时，该曝光参数更新逻辑电路保持该曝光参数值不变，以使该图像感测器撷取下一图像。
3.如权利要求1所述的图像撷取芯片，其中，一第四曝光区位于该第一曝光区与该第二曝光区之间，当该曝光代表量位于该第四曝光区时，则以一预设值来调整该曝光参数值。
4.如权利要求1所述的图像撷取芯片，其中，该第一曝光区与该第三曝光区之间包括一第五曝光区，当该曝光代表量位于该第五曝光区时，则以一预设值来调整该曝光参数值。
5.如权利要求1所述的图像撷取芯片，其中，该曝光参数值是由一像数个数值、一列数值以及列数时间个数值所组成。
6.一种图像撷取芯片，包括一图像感测器，具有多个感测单元，依据一曝光参数值，用以撷取一图像，以产生多个相对应的曝光量；一计算逻辑电路，用于运算这些曝光量，以产生一曝光代表量；以及一曝光参数更新逻辑电路，至少包括一鉴别逻辑电路，用于判断该图像是否符合一图像品质条件；当该图像符合该图像品质条件时，则不调整该曝光参数值；且，当该图像不符合该图像品质条件时，则进行调整该曝光参数值。
7.如权利要求6所示的图像撷取芯片，其中，当该图像符合该图像品质条件，且，该曝光代表量位于一第一曝光区、一第二曝光区或一第三曝光区时，该曝光参数更新逻辑电路保持该曝光参数值不变，以便该图像感测器撷取下一图像；以及当该图像不符合该图像品质条件时，且，该曝光代表量位于该第二曝光区，则依据该曝光参数值与一第一曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一图像；以及该曝光代表量位于该第三曝光区，则依据该曝光参数值与一第二曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一图像；其中，该第一曝光区是位于该第二曝光区与该第三曝光区之间，该第一曝光参数极值与该第二曝光参数极值是为该曝光参数值的一变化范围内的最大值以及最小值。
8.如权利要求7所述的图像撷取芯片，其中，一第四曝光区位于该第一曝光区与该第二曝光区之间，当该曝光代表量位于该第四曝光区时，则以一预设值来调整该曝光参数值。
9.如权利要求7所述的图像撷取芯片，其中，该第一曝光区与该第三曝光区之间包括一第五曝光区，当该曝光代表量位于该第五曝光区时，则以一预设值来调整该曝光参数值。
10.如权利要求6所述的图像撷取芯片，其中该曝光参数值是由一像数个数值、一列数值以及列数时间个数值所组成。
11.一种光学鼠标，包括一光源装置，用以对一物件进行照射；一光学镜片，用以投射该物件的一反射图像，而产生一投射图像；一图像感测器，具有多个感测单元，依据一曝光参数值，用以撷取该投射图像，以产生多个相对应的曝光量；一计算逻辑电路，用于运算这些曝光量，以产生一曝光代表量；以及一曝光参数更新逻辑电路，若该曝光代表量位于一第一曝光区，用以保持该曝光参数值不变，以使该图像感测器撷取下一投射图像；若该曝光代表量位于一第二曝光区，则依据该曝光参数值与一第一曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一投射图像；以及若该曝光代表量位于一第三曝光区，则依据该曝光参数值与一第二曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一投射图像；其中，该第一曝光区是位于该第二曝光区与该第三曝光区之间，该第一曝光参数极值与该第二曝光参数极值是为该曝光参数值的一变化范围内的最大值以及最小值。
12.如权利要求11所述的光学鼠标，该曝光参数更新逻辑电路更包含一鉴别逻辑电路，用以判断相对应于该图像的该图像是否符合一图像品质条件，当该图像符合该图像品质条件时，该曝光参数更新逻辑电路保持该曝光参数值不变，以使该图像感测器撷取下一图像。
13.如权利要求11所述的光学鼠标，其中，该第一曝光区与该第二曝光区之间包括一第四曝光区，当该曝光代表量位于该第四曝光区时，则以一预设值来调整该曝光参数值。
14.如权利要求11所述的光学鼠标，其中，该第一曝光区与该第二曝光区之间包括一第五曝光区，当该曝光代表量位于该第五曝光区时，则以一预设值来调整该曝光参数值。
15.如权利要求11所述的光学鼠标，其中该曝光参数值是由一像数个数值、一列数值以及列数时间个数值所组成。
全文摘要
光学鼠标及其图像撷取芯片。图像撷取芯片包括图像感测器，具有多个感测单元；计算逻辑电路；以及曝光参数更新逻辑电路。若该曝光代表量位于第一曝光区，用以保持该曝光参数值不变，以使该图像感测器撷取下一图像；若该曝光代表量位于第二曝光区，则依据该曝光参数值与第一曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一图像；以及若该曝光代表量位于第三曝光区，则依据该曝光参数值与第二曝光参数极值来调整该曝光参数值，以使该图像感测器撷取该下一图像。
文档编号G06K9/20GK1677431SQ20041003333
公开日2005年10月5日 申请日期2004年4月2日 优先权日2004年4月2日
发明者林俊煌, 蓝正丰 申请人:原相科技股份有限公司