用于与成像传感器帧同步的相机致动器驱动器模式控制的方法和装置与流程

文档序号:11162199阅读:773来源:国知局
用于与成像传感器帧同步的相机致动器驱动器模式控制的方法和装置与制造工艺



背景技术:

消费电子设备诸如智能电话、平板计算机和其他包含相机的设备(包括个人专用相机)的制造商当前使用音圈马达(VCM)以用于致动或移动成像透镜以便调整光学相机(作为自动对焦系统的一部分)的焦点位置或用于执行光学稳像。为实现可移动透镜的精确定位以及低电气噪声操作,目前通常使用恒定电流线性驱动电路来驱动VCM。然而,从功率消耗的观点来说,已发现线性驱动电路并非足够高效,使得应当在便携式相机设备中使用开关模式或开关型(有时描述为脉宽调制(PWM)驱动电路)以增强功率效率。实际上,PWM或开关模式驱动电路可比用于VCM的线性驱动电路的效率高最多至50%。



技术实现要素:

已发现开关模式驱动电路诸如用于驱动VCM的PWM驱动电路的使用干扰相机的固态成像传感器,从而导致有害的成像噪声,该噪声是指例如以“行条带”的形式出现在所得的数字图片中的噪声伪影,该“行条带”是横穿所得数字图片的微弱但明显的水平线。

根据本发明的实施方案,相机装置具有机电致动器(例如VCM)作为相机装置的一部分,该机电致动器被耦接以移动:a)将光引导到像素传感器阵列上的光学元件例如成像透镜,或b)像素传感器阵列自身。例如,致动器可为自动对焦系统的一部分,该致动器移动成像透镜,该成像透镜将光引导到像素传感器阵列上。成像传感器和其像素传感器产生数字图像序列(例如在预览模式期间或在操作的其他静态图像捕获模式或视频捕获模式期间),其中对于数字图像中的每个数字图像,像素传感器阵列在操作的重置/快门节段被重置。随后,在操作的整合阶段期间,允许像素传感器阵列将来自场景的光转换为像素信号。最后,在操作的读出阶段,像素信号以数字形式被读出。当相机装置正产生数字图像序列时,致动器以线性模式和开关模式被驱动(例如,为了自动对焦和/或光学或机械稳像)。在图像捕获期间,当在两种模式之间“动态地”变化时,在这种意义上,致动器以a)与成像传感器的操作的读出阶段同步时的线性模式以及b)与成像传感器的操作的整合阶段同步时的开关模式被驱动,则致动器以线性模式和开关模式被交替驱动。从而在开关模式驱动的较大功率效率和线性驱动的较低噪声水平之间获得良好的折中,从而产生所得的数字图片,该所得的数字图片不具有由开关模式驱动所导致的明显的伪影。

操作的读出阶段可被视为时间间隔,在该时间间隔期间,相机对由驱动致动器的电路所产生的电气噪声高度敏感。因此,在读出阶段的一部分或全部期间使用线性驱动电路来驱动致动器有助于减少得自读出操作的所捕获的数字图像内的有害噪声伪影例如行条带的发生。

然而,为提高功率效率,有时应当使用开关模式驱动电路来驱动致动器,例如在操作的重置/快门阶段的一部分期间。根据对来自致动器驱动电路的电气噪声的敏感性,整合阶段可被视为传感器帧结构的低敏感度部分,而如果重置/快门阶段与使用开关模式驱动电路驱动致动器重合时,由于噪声伪影将出现在数字图像中的可能性较大,因此重置/快门阶段可被视为中敏感度区间。

为获得甚至更高的功率效率,在整合阶段的一部分期间和重置/快门阶段的一部分期间使用开关模式驱动电路来驱动致动器。然而,如果后面的组合导致所得的数字图片中太多的噪声,则折中的配置可为不仅在读出阶段的全部期间而且在重置/快门阶段的全部期间使用线性驱动,并且将开关模式驱动局限于整合阶段的仅一部分。

以上概述不包括本发明的所有方面的详尽列表。可预期的是,本发明包括可由上文概述的各个方面以及在下文的具体实施方式中公开并且在随该专利申请提交的权利要求中特别指出的各种方面的所有合适的组合来实施的所有系统和方法。此类组合具有未在上述发明内容中具体阐述的特定优点。

附图说明

本发明的实施例以举例的方式进行说明,而不仅限于各个附图的图示,在附图中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出,本公开中提到本发明的“一个”(“an”或“one”)实施方案未必是同一实施方案,并且它们表示至少一个实施方案。另外,给定附图可用于示出本发明的多于一个实施方案的特征,并且不是图中的所有元件可用于给定的实施方案。

图1是根据本发明的实施方案的相机装置的相关部件的框图。

图2示出了对于电子滚动快门(ERS)图像传感器这一具体情况而言的示例性图像传感器帧结构相对于时间。

图3示出了与开关模式控制信号和标签重叠的图像传感器帧结构,指示每个帧的与开关模式驱动和线性模式驱动重叠的部分。

图4示出了本发明的另一个实施方案,在该实施方案中,使用开关模式驱动的区间包括针对给定帧的整合阶段的一部分和重置/快门阶段的一部分。

具体实施方式

现在将参考所附附图来解释本发明的若干个实施例。虽然阐述了许多细节,但应当理解,本发明的一些实施方案可在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下,未详细示出熟知的电路、结构和技术,以免模糊对该描述的理解。

图1是根据本发明的实施方案的相机装置的相关部件的框图。成像传感器电路可由成像传感器像素阵列2(也称为焦平面阵列)和模数(A/D)转换电路5组成,该成像传感器像素阵列和模数(A/D)转换电路用于产生场景的所捕获数字图像1,2,3..N的序列。来自场景的光由透镜3引导到成像传感器像素阵列2上,该透镜可为相机的光学子系统的一部分。机电致动器4例如VCM被耦接以移动透镜3。该移动可被设计为改变在成像传感器像素阵列2(例如变焦镜头或或可变倍率)上产生的光学图像的尺寸,或者该移动可用于初步改变焦距,使得场景中的物体在形成于像素阵列2(自动对焦镜头)上的光学图像中被清晰地捕获。致动器4或者可被连接以移动另一个光学元件或像素传感器阵列2自身,例如作为光学/机械稳像器的一部分。致动器4由线性驱动部分11和由开关型或开关模式驱动部分12交替驱动,该线性驱动部分和开关型或开关模式驱动部分均为驱动器电路的一部分。尽管未示出,但可包括附加的驱动器电路部分(使得线性驱动部分11和开关模式驱动部分12无需为相机装置中用于驱动致动器4的仅有的驱动器电路)。

相机装置具有若干控制块。这些控制块包括曝光控件8,该曝光控件在一些情况下可为高层相机驱动器软件(例如操作系统级),该高层相机驱动器软件正由处理器执行,以便使用任何合适的曝光计算算法来计算所需的曝光时间或整合时间,成像传感器电路(包括像素传感器阵列2)被配置为具有所需的曝光时间或整合时间以用于捕获数字图像。尽管未示出,曝光控件8具有可耦接至若干已知源的输入,以便接收参数,诸如针对透镜3的环境光测量、变焦或放大设置、(由用户)手动选择的曝光时间和帧捕获速率。基于所需的和/或计算的曝光设置的组合,例如整合时间和帧捕获速率,曝光控件8配置快门和读出控制电路7,该电路控制传感器像素阵列2曝光的时间或允许整合光致电荷的时间,该光致电荷由来自针对在给定帧中捕获的每个图像的场景的光导致。

在一个实施方案中,快门和读出控制电路7可为电子快门方法(用于许多目前的相机中)的一部分。电路7在那种情况下可为可编程数字逻辑电路的形式,该可编程数字逻辑电路负责生成具有准确定时的数字控制信号,其中此类控制信号适用于像素阵列2的片上快门控制电路,以便执行快门或光检测器重置操作,随后执行整合和读出。

尽管在许多相机中使用电子快门方法,其中像素阵列2的曝光或整合时间由从像素的电子信号转换或由像素所进行的整合的电子终止来限定,但是供替代的选择是使用机械快门,该机械快门在物理上阻挡场景光到达像素。来自快门和读出控件7的控制信号在那种情况下会被设计为驱动机电致动器,该机电致动器例如控制叶片式快门或焦平面快门。

对于读出而言,可使用合适的定时来认定行选择控制信号,以便执行构成像素阵列2的多个像素的有序读出。像素阵列2可为根据例如互补金属氧化物半导体(CMOS)光电二极管技术或电荷耦合器件(CCD)技术或其他合适的成像传感器像素技术制造的光检测器的阵列。像素输出信号由模数(A/D)转换电路5数字化,并随后被格式化或布置并存储为存储器6内的所捕获的数字图像1,2,...N。尽管A/D转换电路5在图1中与像素阵列2相比而言被示出为单独的框,这并不意味着A/D转换电路需要被形成为单独的单片电路。相反,A/D转换电路5中的一部分或全部可整合到阵列2的像素结构中。

描述了本发明的各种实施方案,所述实施方案可凭借具有不太明显的图像噪声伪影(诸如行条带)的“清理器”捕获的图像而表现出对电气噪声的改进的免疫力,该电气噪声由在连续图像捕获期间正驱动致动器4的开关模式驱动器电路内在产生。这些是使用若干实施例来示出的,这些实施例聚焦于图像传感器帧结构(定时帧),该图像传感器帧结构属于图像获取的电子滚动快门(ERS)类别,其中帧中的每个数字图像或图片不是从单个时间点处的像素阵列2的快照记录的,而是通过随时间垂直或水平地扫描整个像素阵列来记录的。然而,应当指出的是,下文描述的用于改进对致动器驱动器电路引起的图像噪声的免疫力的技术也适用于全局快门图像获取方法,在该方法中,整个像素阵列2在相同的时间窗口“暴露”,也称为全局快门帧或全局重置技术。例如,许多CCD类型的像素阵列使用全局快门并还可得益于下文所述的同步方法。

仍然参见图1,可源于快门和读出控制电路7且如果需要来自曝光控件8的控制信号被提供至驱动器模式控制逻辑9。后者可包括产生开关模式控制信号的逻辑电路,该控制信号用于选择或反映或指示是线性驱动部分11还是开关模式驱动部分12被用于驱动致动器4。当开关模式控制信号被认定时,使用开关模式驱动来驱动致动器4,并且当解除认定时,使用线性模式驱动。在一个实施方案中,开关模式控制信号有助于触发对开关模式驱动部分12和线性模式驱动部分11的选择。

线性驱动部分11可以是可例如使用连续电流源(在致动器为VCM的情况下)提供恒定线圈电流的任何合适的电路。相比之下,开关模式驱动部分12可包括功率开关电路,该功率开关电路使用开关稳压器(例如基于脉宽调制的稳压器)来驱动恒定线圈电流(随时间平均)。在另一个实施方案中,开关模式驱动部分12可具有开关电路的组合,该开关电路对线圈电流的位于DC部件上的AC部件进行开关,其中DC电流由线性电流源提供。

线性驱动部分11和开关模式驱动部分12是所耦接的用于驱动致动器4的驱动器电路的一部分。该耦接由处于两个位置中的一个位置的单刀双掷开关表示,该两个位置中的一个位置中,致动器4使用线性驱动部分11被驱动,并且在两个位置中的另一个位置中,致动器4使用开关模式驱动部分12被驱动。关于使用何种类型的驱动这一决定是由驱动器模式控制电路9来作出的,该驱动器模式控制电路从快门和读出控制逻辑7接收其输入控制信号,如上所述,并且可选地从曝光控制单元8接收。在一个实施方案中,驱动器模式控件9产生用于(在线性驱动部分11和开关模式驱动部分12之间)配置驱动器电路的开关模式控制信号。

被输入至驱动器模式控件9的控制信号可至少部分地限定图像传感器帧(图像传感器活动相对于时间),该图像传感器帧针对每个正被捕获的图像而言进行重复(作为正被捕获的数字图像的给定序列的一部分)。驱动器模式控件9基于传感器帧的预先确定的部分来认定其输出控制信号。以另一种方式来看,输出控制与图像传感器帧的某些部分同步。当控制信号被认定时,开关模式驱动部分12被选择以驱动致动器4,并且当控制信号被解除认定时,线性驱动部分11被选择。

现在转向图2,这是针对电子滚动快门(ERS)图像传感器这一具体情况而言的示例性图像传感器帧结构相对于时间。该图示出了在ERS的情况下组成图像传感器帧结构的不同的区间,然而,下文的概念也适用于全局快门图像传感器。该图还示出了可如何相对于像素阵列2中的某个活动来限定图像传感器帧。在该特定的实施例中,图像传感器帧(n+1)被限定为以其正被认定的快门指针开始,从而开始逐行重置阵列2的像素的过程。需注意,这里对“行”的标引是指“至少一行”,因为可能有由给定的控制信号(例如快门/重置指针)控制的不止一行。如由ERS所提供的,所述行因此由倾斜的快门指针线依次重置,从而如图所示向上移动所述行。需注意,相比之下,全局快门会由在给定时间点处的基本上垂直的快门指针线示出,而不是由倾斜的线示出。

在由快门指针重置一行之后,使得所述行能够在整合区间(凭借曝光于来自场景的光)期间整合或累积光致电荷。一组一个或多个行可因此被允许同时整合,而后续的一组一个或多个行将在稍后的时间开始整合,使得如图2所示获得扩散效应。换句话讲,整合区间实际上在整个行上随时间扩散。在整合区间的终点,读出指针被认定,其表示针对那组一个或多个行的整合已结束,并且因此读出操作可随后在那组继续。读出操作可包括由A/D转换电路5对个人输出像素信号的数字化(参见图1)。在针对下一个或后续帧的正被认定的读出指针和正被认定的快门指针之间的相对较短的时间间隔期间发生该转换。图像传感器帧结构随后针对下一个帧重复,以产生下一个捕获图像。

图2还包含标签,该标签指示相应的传感器帧的各个阶段(部分或区间)对在那些区间期间由致动器产生的电气噪声的相对敏感度。需注意,该标签仅用于解释在图3的ERS实施方案中对线性驱动还是开关模式驱动的选择背后的推论,并且不旨在限制本发明的范围,尤其是在全局快门的情况下。在ERS的情况下,(给定帧,例如帧n+1的)整合阶段可位于对(给定帧的)“第一行”快门/重置指针的断言和对(给定帧的)“最后一行”读出指针的断言之间。快门/重置阶段可位于对(给定帧的)“第一行”快门/重置指针的断言和对(给定帧的)“最后一行”快门/重置指针的断言之间。(给定帧的)读出阶段可位于对(给定帧的)第一行读出指针的断言和对(给定帧的)最后一行读出指针的断言之间。对帧n+1的帧结构的限定针对前一帧n以及针对后续帧n+2进行重复。

(针对给定帧n+1的)整合阶段的不与相邻帧n和n+2的快门和读出阶段重合的部分可被视为低敏感度部分。相比之下,整个读出阶段被视为高敏感度部分(鉴于读出通常涉及A/D转换的相对噪声敏感的操作这一事实)。位于前一帧n的高敏感度读出阶段和帧n+1的整合阶段的低敏感度部分之间的是中敏感度区间。该区间位于帧n+1的快门阶段的尾部部分和帧n+1的整合阶段的中部部分之间的重叠处。然而,帧n+1的快门阶段的头部部分被视为高敏感度部分,因为其与前一帧n的读出阶段重叠。换句话讲,由于这里所述的ERS方法的扩散效应,快门阶段中的一部分被视为中敏感度,而其中的另一部分被视为高敏感度,因为后者与前一帧的读出阶段重叠。类似地,整合阶段中的一部分被视为低敏感度,而其中的另一部分被视为高敏感度,因为后者与后续帧的读出阶段重叠。

使用已被限定为帮助解释开关模式驱动对线性模式驱动背后的基本原理的图像传感器帧结构的低敏感度区域、中敏感度区域和高敏感度区域,图3和4示出了如何配置针对线性模式驱动对开关模式驱动的两种不同的实施方案。一般来讲,开关模式控制信号可被视为当被认定时指示应当使用开关模式驱动以及当被解除认定时指示应当使用线性驱动的控制信号。在实施方案图3中,相应的传感器帧的第一预先确定的部分是像素信号整合阶段的一部分,在所述预先确定的部分期间,控制信号被认定,使得开关模式驱动部分12被选择,在所述像素信号整合阶段期间,成像传感器像素阵列2中的一个或多个行被允许“整合”或累积光致电荷(由于来自场景的在传感器像素阵列2上形成光学图像的光)。相对于当线性驱动被用于整个图像传感器帧,这有助于改进相机功能的功率效率。当相机装置是便携式多功能消费电子设备例如智能电话或平板计算机的一部分时,所述功率改进尤为可取。相机装置或者可为其他电子设备的一部分,包括作为专用相机设备(而不是多功能设备)的一部分。

尽管效率改进是重要的,但是开关设备的使用应当局限于图像传感器帧结构的被视为具有对由开关模式驱动部分12产生的电气噪声的低敏感度的区域。相比之下,当驱动致动器4时,线性驱动部分11由于其固有的线性操作模式电路而产生显著较少的电气噪声,尽管导致了较低功效的相机。应当在传感器帧的被预期为对本可由开关模式驱动产生的电气噪声高度敏感的部分期间使用线性驱动部分11。在一个实施方案中,传感器帧的预先确定的部分是读出阶段的至少一部分(并且优选地为全部),在该预先确定的部分期间,开关模式控制信号被解除认定(指示线性驱动部分11被使用),在所述读出阶段中,已由于整合阶段产生的像素信号从阵列中传输出去和/或由A/D转换电路5数字化。在本发明的一个实施方案中,给定帧的读出阶段中的一部分或全部被视为对来自开关模式驱动部分12的电气噪声高度敏感,正因如此,区间被分配给线性驱动部分11。这在图3和图4的实施方案中均可见。因此,如两图所示,开关模式控制信号在读出阶段被解除认定。

需注意,在全局快门场景中,整个整合阶段可被视为低敏感度区间,使得开关模式控制信号可在整个整合阶段被认定。在那种情况下,快门/重置和读出阶段可被视为与整合阶段相比更为敏感,意味着开关模式控制应当在那些阶段被解除认定。

仍然首先参见图3,在这种情况下,在中敏感度区域期间使用线性驱动,该中敏感度区域是帧n+1的快门/重置阶段的尾部部分,而在整合阶段的中部部分期间使用开关驱动。在这种情况下,整个读出阶段为线性驱动部分而保留。线性和开关驱动选择的组合针对捕获图像的给定序列的后续帧和在前帧而重复。

应当注意,由于这里使用的电子滚动快门方法,尽管每个帧具有其不与另一帧重叠的相应整合区间,但是快门阶段和读出阶段的情况并非如此。实际上,对于帧n+1,其快门阶段与帧n和n+1的读出阶段的一部分基本上重叠,而帧n+1的读出阶段与帧n+2的快门阶段基本上重叠。

图3还示出的是在针对与帧n、n+1、n+2对应的数字图像序列的每个相应读出阶段的一部分期间,使用线性驱动电路来驱动致动器4。此外,在针对帧序列的每个相应的像素整合阶段的一部分期间,使用开关模式驱动电路来驱动致动器4。然而,此外,图3示出了如下实施方案,在该实施方案中,在数字图像序列的每个相应快门/重置阶段的一部分期间,使用线性驱动电路来驱动致动器4,即,在每个帧的起始处的中敏感度区间期间(当该帧在这种情况下被限定)。

应当注意,尽管每个帧在图3中被限定为以前一帧的最后行读出开始并以其自身的最后行读出结束,但是具有限定每个帧的界限的其他方式。例如,帧n+1或者可被限定为以其第一行处的快门指针n+1开始并以其最后一行处的读出指针n+1结束;将以类似方式限定帧n+2,从而将与后续帧的(相对于时间)重叠计入该限定。相比之下,图3的实施方案以相邻帧之间不具有重叠的方式来限定帧。然而,不管以何种方式限定帧的界限,低敏感度区间、中敏感度区间和高敏感度区间可如图3所示保持相同,使得针对低敏感度区间、中敏感度区间和高敏感度区间中的每一者的线性驱动对开关模式驱动分配在那种情况下保持不变。例如,如果帧n+1被限定为以第一行处的快门指针开始,则其快门阶段的一部分将是高敏感度区间,并因此将分配给线性驱动部分11,从而导致每个帧的整个快门/重置阶段被分配给线性驱动。

相比于图3的实施方案,图4示出了另一个实施方案,在该另一个实施方案中,开关模式驱动的使用被延长,以实现改进的效率(而不显著增加图像噪声伪影)。在此,开关模式驱动被使用的区间针对每个给定帧不仅包括整合阶段(类似于图3)的一部分,而且包括重置/快门阶段的至少一部分。因此,开关模式控制信号保持被认定更长时间,从而在该情况下延长至中敏感度区域,该中敏感度区域为(相应传感器帧的)快门/重置阶段的尾部。换句话讲,在针对所示数字图像序列的每个相应的快门/重置阶段的一部分期间,使用开关模式驱动电路来驱动致动器。

作出以下附加的发明简述。在一个实施方案中,用于场景的数字图像捕获的方法包括:通过以下方式来使用具有像素传感器阵列的成像传感器电路产生数字图像序列:针对图像中的每个图像而在操作的重置/快门阶段中重置像素传感器阵列、允许像素传感器阵列在操作的整合阶段将来自场景的光转换为像素信号、以及在操作的读出阶段以数字形式读出像素信号;机电致动器以线性模式和开关模式被驱动,同时产生数字图像序列,其中致动器被耦接以移动:a)将光引导到像素传感器阵列上的成像透镜,或b)像素传感器阵列;以线性模式对致动器的驱动与操作的读出阶段同步(例如,致动器在操作的读出阶段的全部期间以线性模式被驱动),并且以开关模式对致动器的驱动与操作的整合阶段同步,其中致动器在操作的整合阶段的一部分或全部期间以开关模式被驱动。此类同步的实施例包括如下ERS实施方案。

首先,参见图3,致动器可在操作的读出阶段的一部分而不是全部期间以线性模式被驱动(其中针对帧n+1的读出指针正被更新以(例如依次)扫描像素阵列2的行)。在一个实施方案中,为了更好地减少噪声,致动器在操作的读出阶段的全部期间以线性模式被驱动。在另一个实施方案中,同样如图3所示,在产生数字图像序列的相同过程中,致动器同样以线性模式被驱动,该驱动与操作的重置/快门阶段同步,即,在重置/快门阶段的一部分期间,其中快门/重置点正被更新以扫描正被重置的最后一组行。在另一个实施方案中,在操作的重置/快门阶段的全部期间,即在快门/重置指针被更新以及扫描整个像素阵列2时,致动器可以线性模式被驱动,该驱动与重置/快门阶段同步。

在另一个实施方案中,现在参见图4,致动器同样以开关模式被驱动,该驱动与操作的重置/快门阶段同步,例如刚在读出指针已扫描最后一行之后开始,并且经过正由下一帧的快门指针扫描的最后一行而继续。

虽然已描述并且在附图中示出了某些实施方案,但应当理解,此类实施方案仅用于说明广义的发明而非对其进行限制,并且本发明并不限于所示和所述的特定构造和布置,因为对于本领域的普通技术人员而言可想到各种其它修改。例如,尽管图1示出了致动器4被连接以移动透镜3,例如作为自动对焦系统的一部分,但是上述技术也适用于移动传感器像素阵列2的致动器,例如作为光学/机械稳像系统的一部分。因此,要将描述视为示例性的而非限制性的。

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