专利名称：发光二极管相对亮度的硬件建模的制作方法
由本文件的受让人共同拥有并通过被整体引用成为本文件的组成部分的相关的共同未决的美国专利申请在本申请提出之日或该日前后向美国专利和商标局提交。该相关申请是惠普(Hewlett-Packard)字10002968号，序列号，标题是“发光二极管亮度和曝光量的软件确定(SOFTWARE DETERMIN-ATION OF LED BRIGHTNESSAND EXPOSURE)”。
本发明总体上涉及发光二极管(LED)曝光量的精确控制，具体地说，涉及为发光二极管(LED)的光输出建立模型，以便在LED阵列的光输出变化时保持曝光量恒定。
灰度和有色成像等高质素图像摄取过程需要精密的光源。考虑到尺寸大小、价格、可靠性以及其它质素，发光二极管(LED)可能会被选用作图像摄取的光源。不幸的是，LED的光输出随着结温度和工作时间而变化。LED因通电加热升温，决定某LED结温度并由此决定光输出的因素之一是LED通电时间的长短和通断时间比。一种至少可以补偿一部分这种变化的方法是使用光校准带(light calibration strip)。光校准带加上某种搜索算法一起使用，可在摄入图像之前先行设定发光强度。这种方法的缺点之一是要从图像摄取阵列中划出一部分来感测校准带的光，这样就会减小在给定时刻用来摄取图像的宽度或面积。这种方法的另一个缺点是没有考虑到摄取图像过程中的结温度变化。
因此，客观上需要一种不使用光校准带的发光补偿方法和装置。
本发明的一个实施例通过简单的电子电路提供一种跟踪LED光输出强度的模拟电压。读出该模拟电压就可以确知近似的LED相对光输出，进而快速算出曝光补偿量。由于该模拟电压是通过简单电子电路产生的，所以实现起来花费不大，并且不用计算复杂的指数方程，而这些方程在有关的处理器上演算要用相当长的时间。在最佳实施例中，用电阻-电容电路来逼近LED的光输出特性。该电路的输出电压被采样并且连同测得的环境温度一起用来调节摄像时的曝光量。
从下面结合附图举例说明本发明的原理的详细描述，可以清楚地展示本发明的其它方面和优点。
图1是摄像曝光系统的方框图。
图2是用来建立LED相对光输出模型的RC电路的电原理图。
图1是拍摄曝光系统100的方框图。中央处理机(CPU)110将发光控制信号116送到LED驱动器112和LED模型102。LED驱动器112与LED阵列114耦合。LED阵列114为摄取图像提供照明。LED模型提供模拟电压118来跟踪LED阵列114中的LED的输出光强度。模拟电压118被输入到模拟-数字转换器(A/D转换器)104。该A/D转换器104的输出由CPU110读出。该拍摄曝光系统还有一个环境温度传感器106。环境温度传感器106的输出由A/D转换器104读出并送到CPU110。CPU110使用这两个值来计算图像摄取所需的曝光时间。
使用通过实验得到的品质因数T0，可以用下面的方程来描述LED的光输出 其中RLOP(T)是p-n结温度为T时的相对光输出。Tc是被相对光输出用作参考基准的参考温度。换句话说，RLOP(Tc)=1。确定T0的方法是分别测出在多个结温度下的相对光输出，然后用指数拟合法来确定该特定的器件的T0。上述方程描述了相对光输出与p-n结温度的关系。可惜的是，该温度取决于许多其它因素，包括环境温度、LED的通断电历史、正向电压、正向电流、LED的效率以及LED的热时间常数等。LED的通断电历史特别重要，因为它决定每次通电或断电时的起始温度。当LED接通时，其结温度沿着类似下面方程所表示的加热曲线改变
其中Ton是LED刚接通时的起始结温度，T∞是稳态结温度，当LED经过长时间通电后其结可以达到此温度。Ta是环境大气温度而τ是LED的热时间常数。当LED断电时，其结温度沿着类似下面方程所表示的冷却曲线改变 其中Toff是LED断电时的起始结温度，Ta是环境大气温度而τ是LED的热时间常数。
将方程2代入方程1就产生一个表达相对光输出与接通时间关系的方程，其结果具有如下形式 其中 注意，因为T∞是结温度的稳态值，在正常运作的情况下T∞≥Ton使得K2永远大于或等于零。所以，随着接通时间ton从零趋向无穷大，RLOP沿着具有以下形状的曲线从K1exp(K2)减小至K1这是一条指数曲线，其指数部分为正并等于负x的指数(即是exp(exp(-t)))。还应注意，如果输入到LED的功率保持不变，则T∞将是高于环境大气温度Ta的固定的数值。这样，就允许将K1和K2用环境大气温度Ta和另外一个常数TΔ来表示。TΔ是在给定输入功率、热阻和热效率的条件下，LED的结温度相对于环境温度的升高。因此，K1和K2可以相应表达为 将方程3代入方程1，产生一个将相对光输出与断电时间联系起来的方程，其结果具有与方程4相同的形式，但常数不一样 其中 注意，如果LED长时间不通电则Ta是LED结温度的稳态值，且在正常的工作状态下Toff≥Ta。这意味着K4永远小于或等于零。由此，随着关断时间toff从零趋向无穷大，PLOP从K3exq(K4)(由于K4≤0，此值小于等于K3)沿着一条曲线趋向K3，这是一条负指数曲线，其指数部分是负x(应为t-译注)的负指数(即是exp(-exp(-t)))。
方程3和方程9均具有如下形式 方程12的泰勒级数展开为 由于在该泰勒级数展开式中所有e(…)项中的指数是负的，故当t＞τ或|Kb|＜1时，这些项的值迅速减小，所以无论上述哪个条件成立，方程12均可近似为 将此近似方法同样用于方程3和方程9可产生 从方程15的形式可以看到，LED接通时，其相对光输出的值以近似指数的方式下降并最终趋近一个极限值K1。其下降量由每次LED接通时的结温度初始值Ton设定。Ton包含在K2中。同样，从方程16可以看出，当LED再次导通时，其相对输出值将沿着一条类似1-ex的曲线增大，当LED断开后最终趋向一极限值K3(因为K4总是负的)。其增大量由每次LED断开时的结温度初始值Toff设定。Toff被包含在K4中。最后，众所周知，在每次LED接通或断开的瞬间，相对光输出不会发生跳变。所以，K2和K4的初始条件必须是使在每次从通到断和从断到通的过渡过程中方程15和方程16相等。
方程15和方程16所遵循的曲线形状与电容器通过电阻充电和放电时两极之间的电压变化曲线形状相同。同样的道理，正被充电和放电的电容器两极间的电压在由充电转为放电或由放电转为充电的过程中不会发生跳变。给定了这两个条件，本发明LED接通和关断时相对光输出的改变用“电阻-电容(RC)”或“电感-电阻(LR)”电路来建立模型。就用RC电路来模拟相对光输出的情况而言，LED关断时电容器通过电阻充电，LED接通时电容器通过电阻放电。这种RC模型由图2表示。
在图2中，发光控制信号116接到电阻202的第一端，电阻202的第二端连到模型的输出端。该模型的输出是送到A/D变换器104的模拟电压118。电阻202的第二端还连接到电容器204的第一端，电容器204的第二端连到电源的负极或某种其它的基准电压。
当发光控制信号116处于使LED阵列114导通的状态时，该信号令电容器204通过电阻202放电。在图2中这表示为直接相连。然而，视发光控制信号116的极性不同可能要进行逻辑反转或先做缓存处理然后再送到电阻202。
为了给相对光输出建模，本发明的一个实施例是先对RC电路充电使之达到一个已知的电压电平。这样做是为模型设置初始条件。这个初始条件通常会高于RC电路完全放电后的最终条件，因为我们假定LED的最终结温度与环境气温相同，使得相对光输出达到其最高水平。因此可以说，在RC电路的电容器两极之间的初始电压达到其最大值时，相对光输出可望达到其最高水平。在该模型工作的过程中，当LED导通时，RC电路中的电容器通过电阻放电；而当LED关断时，RC电路的电容器通过电阻充电。这起这样的作用，使得从LED的结温度等于环境温度时的相对光输出值开始，RC电路的电容器两端的电压跟踪相对光输出的变化。
在本发明的一个实施例中，电阻和电容器的值是用实验确定的。任意选取一个电压值作为RC电路的初始条件，表示当LED最亮时的相对光输出。为设计简单起见，此电压可以定为正的电源电压。类似地，任意地选取一个电压电平作为RC电路放电后的状态，此状态表示LED最暗时的光输出。为了简化设计，这可以取电容器充分放电后的电压值。这两个极值点所表示的相对光输出值的范围取决于整个发光系统的热特性以及系统的封装情况，在最佳实施例中应由实验确定。
当拍摄曝光系统100将要启动曝光时，它首先通过A/D变换器104对电容器204两端的电压取样。这使系统获得相对光亮度的模型值。该相对光亮度的模型值连同取样获得的环境温度值被用来确定曝光量。在该最佳实施例中，环境温度值与相对光亮度模型值映射到真实的光亮度的操作是通过查表来实现的。此查找表中的数值既可以通过实验确定，也可以通过计算得出。
使用方程1作为出发点来计算该查找表中的数值。 用Ta，TΔ和与最大温度因子的差值ΔT来重写结温度T，产生
T=T∞-ΔT=Ta+TΔ-ΔT方程17将方程17代入方程1得到 由于方程18中除Ta外所有因子对不同的环境温度都是常数，所以对相同的ΔT处于环境温度Ta1时的相对光输出与处于环境温度Ta2时的相对光输出的关系可由下式表达 方程19可以用来构建查找表，此表会产生与相对光亮度模型值相乘的因子。上述乘法运算的结果就是真实的相对光亮度。接下来用此真实光强度来计算拍摄曝光量。一个计算拍摄曝光量的简单方法是令相对光亮度除以曝光常数得出曝光时间。由于拍摄曝光量是LED输出的光对时间的积分的总量，所以，这个简单的方法可以在LED光亮度变化范围内产生合理的恒定的拍摄曝光效果。
在上述最佳实施例中，调整拍摄曝光量的方法是在规定的拍摄曝光时间内令LED阵列导通。然而，其它调整拍摄曝光量的方法，如用开启和关闭快门的方法也是可以使用的。
从上面的说明可以作出如下评价本发明所提供的拍摄曝光系统和LED相对光亮度建模方法具有简单和无须用控制处理器去计算复杂的指数方程或做连续积分运算的优点。而且该系统可以灵活配置，以适应不同的热参数和各种不同的曝光控制机构。
虽然已经描述和举例说明几个关于本发明的特定实施例，但是本发明并不限于所描述和说明的各部分的特定形式或安排。本发明仅受限于权利要求书。
权利要求
1．一种图像拍摄装置，它包括发光源；所述发光源的具有模型输出值的模型；以及曝光调整机构，改变该曝光调整机构来补偿由所述模型输出值表示的所述光源的变化。
2．权利要求1的图像拍摄装置，其特征在于所述模型具有模型输入值，该模型输入值是所述光源的接通时间和断开时间的表示。
3．权利要求2的图像拍摄装置，其特征在于还包括环境温度传感器，用以产生所检测的环境温度，其中还改变所述曝光调整机构来补偿所检测的环境温度。
4．权利要求3的图像拍摄装置，其特征在于所述发光源至少由一个发光二极管构成。
5．权利要求4的图像拍摄装置，其特征在于所述发光源的所述模型包括电容器和电阻器。
6．权利要求4的图像拍摄装置，其特征在于所述发光源的所述模型包括电感器和电阻器。
7．权利要求4的图像拍摄装置，其特征在于所述曝光调整机构改变所述光源的所述接通时间。
8．一种补偿光源变化的方法包括为所述发光源建模；以及调节曝光来补偿由所述表示所述光源的变化。
9．权利要求8的方法，其特征在于所述模型化具有输入值，所述输入值是所述光源接通时间和断开时间的表示。
10．权利要求9的方法，其特征在于还包括检测环境温度，以及调整所述曝光量来对所述环境温度进行补偿。
全文摘要
通过简单的电子电路,产生一个模拟电压来跟踪LED的光输出。该模拟电压由A/D变换器读出以便确切得知LED的近似相对光输出,并由此可快速计算出光输出补偿量。用电阻－电容电路来逼近LED光输出的特性。该电路的输出电压被采样并且与检测到的环境温度一起用来调整图像拍摄系统的曝光时间。
文档编号H04N1/04GK1314609SQ00137439
公开日2001年9月26日 申请日期2000年12月20日 优先权日2000年3月22日
发明者P·A·博尔格, K·福里斯特 申请人:惠普公司