图像传感器和光学指向系统的制作方法

专利名称：图像传感器和光学指向系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图^f象传感器(image sensor )，且更明确地i兌，涉及一 种用于检测光的图像传感器以及使用所述图像传感器的光学指向系统 (optical pointing system)。
背景技术：
常规的图像传感器经配置有N x N像素阵列且获得一种对象(subject) 的二维图像。所述阵列的每一像素产生具有对应于相应图像区域的亮度的 电压的模拟信号，且图像传感器输出W个由每一像素产生的模拟信号。
图1是绘示具有图像传感器的常规光学指向系统的内部结构的方框图。 所述光学指向系统包含图像传感器1、模拟/数字(analog/digital, A/D) 转换器2、前置滤波器(pre-filter ) 3、图像处理器4以及快门控制电路 (shutter control circuit) 5。
图像传感器1获得一种对象的二维图像且产生并输出N2个输出信号， 所述输出信号具有对应于所获得的图像的每一区域的亮度的模拟电压值。
A/D转换器2将从图像传感器1输出的每一信号转换为具有n位结构的 数字信号，即，转换为"n位数字信号(n-bit digital signal )"，且前置 滤波器3将从A/D转换器2输出的每一经转换的n位数字信号转换为具有1 位结构的数字信号，即，转换为"l位数字信号(1-bit digital signal )"。
图像处理器4使用由前置滤波器3转换的1位数字信号来检测对象的 图像，将对象的所检测到的当前图像与对象的所检测到的先前图像进行比 较，计算移动值V(K)，并输出所计算的移动值V(K)。
响应于从A/D转换器2输出的n位数字信号，快门控制电路5产生快 门控制信号CSH并将其提供到图像传感器1。
快门控制信号CSH控制图像传感器1的曝光时间，使得入射于图像传 感器1上的光总是维持给定的平均值，因此允许图像传感器1获得该对象 的准确图像。
以此方式，常规的光学指向系统最小化计算移动值所需要的数据的位 (bits)数目，且将结果提供到图像处理器，使得其可具有快速响应特性。
然而，常规的光学指向系统必须包含A/D转换器和前置滤波器以便向 图像处理器提供经最小化的1位数字信号。因此，其布局与A/D转换器和 前置滤波器的面积成比例地增加。换句话说，当常规的光学指向系统实施
8为半导体集成电路时，A/D转换器和前置滤波器增加了芯片大小。
由此可见，上述现有的图像传感器和光学指向系统在结构与使用上，显 然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问 题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的 设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然 是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型的图像传感器和光 学指向系统，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容
本发明的第一目的是提供一种图像传感器，其能够在没有模拟/数字
(analog/digital ， A/D )转换器和前置滤波器的情况下执行信号处理功能 并输出数字信号。
本发明的第二目的是提供一种光学指向系统，其能够通过使用图像传 感器而减小布局面积且通过将图像传感器中像素的输出信号与相邻像素的 输出信号、多个参考电压或用于快门控制的信号进行比较而改变快门打开 时间。
为了实现第一目的，本发明的第一方面提供一种图像传感器，其具有 多个像素，每一像素包括光电池，用于接收光并产生对应于所述接收光 的量的模拟信号；比较器，用于将所述光电池的模拟信号与相邻像素的光 电池的模拟信号进行比较，且产生具有比较结果的值的数字信号；以及开 关，用于输出比较器的数字信号。此处，所述数字信号具有l位结构。 所述相邻像素的光电池的模拟信号可以是参考电压。 所迷光电池可具有产生对应于所述接收光的量的光电流的光电二极管。
所述比较器可以是锁存器型比较器，所述比较器当所述光电池的模拟 信号大于所述相邻像素的光电池的模拟信号时输出第一信号，且当所述光 电池的模拟信号小于所述相邻像素的光电池的模拟信号时输出第二信号。
为了实现第二目的，本发明的第一方面提供一种光学指向系统，其包 括多个像素(每一像素具有光电池，用于接收光并产生对应于所述接 收光的量的模拟信号；比较器，用于将所述光电池的模拟信号与参考信号 进行比较，且产生具有比较结果的值的数字信号；以及开关，用于在像素选 择信号的控制下输出比较器的数字信号)；图像处理器，用于使用从像素输 出的数字信号来计算移动值，且产生像素选择信号和快门控制信息信号；以 及快门控制电路，用于产生对应于图像处理器的快门控制信息信号的快门 控制信号。此处，所述数字信号具有l位结构。为了实现第一目的，本发明的第二方面提供一种图像传感器，其具有
多个像素，每一像素包括光电池，用于接收光并产生具有对应于所述接 收光的量的电压的模拟信号；比较器，用于响应于快门控制信号而将所述 光电池的模拟信号与相邻像素的模拟信号进行比较以产生用于移动计算的 数字信号，或将光电池的模拟信号与参考电压进行比较以产生用于快门控 制的数字信号；以及开关，用于响应于像素选择信号而传送用于移动计算 的数字信号和用于快门控制的数字信号。
所述光电池可具有产生对应于所述接收光的量的光电流的光电二极管。
所述比较器可以是锁存器型比较器，所述比较器当所述光电池的模拟 信号大于所述相邻像素的模拟信号或参考信号时输出第一信号，且当所述 光电池的模拟信号小于所述相邻像素的模拟信号或参考信号时输出第二信 号。
所述图像传感器的第一信号可以是具有高电压的用于移动计算的数字 信号和用于快门控制的数字信号，且第二信号可以是具有低电压的用于移 动计算的数字信号和用于快门控制的数字信号。
为了实现第二目的，本发明的第二方面提供一种光学指向系统，其包 括参考电压产生单元，用于产生参考电压；图像传感器，其具有多个像 素，接收光，产生对应于所述接收光的量的多个模拟信号，且响应于快门 控制信号而比较相邻像素的模拟信号以产生用于移动计算的数字信号，或 将所述模拟信号与参考电压进行比较以产生用于快门控制的数字信号；信 号选择器，用于接收所述用于移动计算的数字信号和所述用于快门控制的 数字信号，且响应于快门控制周期选择信号而选择并输出所述用于移动计 算的数字信号和所述用于快门控制的数字信号中的一者；移动计算与快门 控制单元，用于接收所述用于移动计算的数字信号以获得物体的图像并输 出所述光学指向系统的移动值和快门控制周期选择信号，且接收所述用于 快门控制的数字信号以将高电平计数值与最大计数值和最小计数值进行比 较并输出快门控制信号。
所述移动计算与快门控制单元可包含图像处理器，用于产生复位信 号和像素选择信号，且接收所述用于移动计算的数字信号以获得所述物体 的图像并输出所述光学指向系统的移动值和快门控制周期选择信号；以及 快门控制电路，用于接收所述用于快门控制的数字信号以预先设定高电平 最大计数值和最小计数值，且将用于快门控制的高电平数字信号的数目与 最大计数值和最小计数值进行比较以输出快门控制信号。
所述图像传感器可包含光电池，用于接收光并产生具有对应于所述接 收光的量的电压的模拟信号；比较器，用于响应于快门控制信号而比较相邻像素的模拟信号以产生用于移动计算的数字信号，或将所述像素的模拟
信号与参考电压进行比较以产生用于快门控制的数字信号；以及开关，用 于接收所述用于移动计算的数字信号和所述用于快门控制的数字信号，并 响应于所述像素选择信号而切换以传送用于移动计算的数字信号和用于快 门控制的数字信号。
所述图像处理器可产生初始化所述像素的复位信号、选择所述像素中 的至少 一者的像素选择信号以及为将选定像素的输出信号与参考电压进行 比较而选择快门控制帧时期的快门控制周期选择信号并将以上信号输出到 图像传感器，接收用于移动计算的数字信号以使用所述数字信号来获得所 述物体的图像，且将所述物体的所述图像与所述物体的先前获得的图像进 行比较以计算并输出所述光学指向系统的移动值。
所述快门控制电路可以当用于快门控制的高电平数字信号的数目是最 大计数值或更大时输出减少快门打开时间的快门控制信号，当用于快门控 制的高电平数字信号的数目小于最大计数值时将用于快门控制的高电平数 字信号的数目与最小计数值进行比较，当用于快门控制的高电平数字信号 的数目是最小计数值或更小时输出增加快门打开时间的快门控制信号，且 当用于快门控制的高电平数字信号的数目大于最小计数值时输出维持快门 打开时间的快门控制信号。
所述快门控制电路可预先设置用于快门控制的高电平数字信号的最大 计数值和最小计数值，且将用于快门控制的高电平数字信号的数目与最大 计数值和最小计数值进行比较以输出参考电压选择信号。
所述参考电压产生单元可包含参考电压产生器，用于从外部接收电 源电压并产生多个参考电压；以及多路复用器，用于接收所述参考电压并 响应于参考电压选择信号而选择所述参考电压中的一者。
所述快门控制电路可以当用于快门控制的高电平数字信号的数目是最
信号，当用于快门控制的高电平数字信号的数目小于最大计数值时将用于 快门控制的高电平数字信号的数目与最小计数值进行比较，当高电平数字 信号的数目是最小计数值或更小时输出从所述参考电压中选择高参考电压 的参考电压选择信号，且当高电平数字信号的数目大于最小计数值时输出 维持参考电压的参考电压选择信号。
为了实现第二目的，本发明的第三方面提供一种光学指向系统，其包 括图像传感器，用于响应于复位信号和像素选择信号而接收光，且产生 并输出对应于所接收光的量的多个模拟信号；比较器，用于接收模拟信号 以响应于快门控制信号而比较电压并产生第一比较数字信号，且接收所述 模拟信号中的一者以及最大参考电压或最小参考电压以比较电压且产生并
ii输出第二和第三比较数字信号；以及移动计算与快门控制单元，用于接收 第一比较数字信号以计算所述光学指向系统的移动值，且接收第二和第三 比较数字信号以将高电平计数值与高电平第 一比较数字信号的最大计数值 和最小计数值进行比较并输出快门控制信号。
所述比较器可包含第一比较器，用于接收模拟信号以响应于快门控 制信号而比较所述电压，且产生并输出第一比较数字信号；以及第二比较 器，用于接收所述模拟信号中的所述一者以及所述最大参考电压或所述最 小参考电压以比较各电压，且产生并输出第二和第三比较数字信号。
所述移动计算与快门控制单元可包含图像处理器，用于产生复位信 号和像素选择信号，且接收第一比较数字信号以获得物体的图像，且计算 并输出所述光学指向系统的移动值；以及快门控制电路，用于预先设定高 电平第一比较数字信号的最大计数值和最小计数值，且将高电平第二比较 数字信号的数目和高电平第三比较数字信号的数目与所述最大计数值和所 述最小计数值进行比较以输出快门控制信号。
所述光学指向系统可进一步包括参考电压产生单元，用于从外部接 收电源电压且产生最大参考电压和最小参考电压；行选择器，用于输出通 过指定所述图像传感器中像素的行地址来在垂直方向上选择像素的多个行 选择信号；以及列选择器，用于响应于像素选择信号而在水平方向上指定 像素，且选择处于沿着由所述行选择信号中的一者指定的行地址的交叉点 处的 一个像素以接收并传送模拟信号。
所述列选择器可包含多个开关，用于响应于像素选择信号而切换， 从图像传感器接收所述选定像素的模拟信号，且传送所述模拟信号。
所述图像传感器可包含光电池，用于响应于复位信号而执行初始化 操作，且当响应于像素选择信号而选择了 一个或一个以上像素时获得所述 物体的图像，以产生具有与所述接收光的量成比例的电压的模拟信号。
所述第一比较器可接收所述选定像素的电压信号，响应于快门控制信 号而比较各电压，当所述选定像素中的一者具有高于所述选定像素中的另 一者的输出信号电压时产生并输出具有高电平的第一比较数字信号，且当 所述选定像素中的一者具有低于所述选定像素中的另一者的输出信号电压 时产生并输出具有低电平的第 一 比较数字信号。
所述图像处理器可产生并输出初始化所述像素的复位信号和选择所述 一个或一个以上像素的像素选择信号，接收第一比较数字信号以使用第一 比较数字信号来获得所述物体的图像，且将所述物体的所述图像与所述物 体的先前获得的图像进行比较以计算并输出所述光学指向系统的移动值。
所述第二比较器可接收所述选定像素的电压信号中的一者和最大参考 电压，比较各电压，当所述电压信号的电压高于最大参考电压时产生并输出具有高电平的第二比较数字信号，且当所述电压信号的电压低于最大参 考电压时产生并输出具有低电平的第二比较数字信号。
所述第二比较器可接收所述选定像素的电压信号中的一者和最小参考 电压，比较各电压，当所述电压信号的电压高于最小参考电压时产生并输 出具有高电平的第三比较数字信号，且当所述电压信号的电压低于最小参 考电压时产生并输出具有低电平的第三比较数字信号。
所述快门控制电路可以当高电平第二比较数字信号的数目是最大计数 值或更大时输出减少快门打开时间的快门控制信号，当高电平第二比较数 字信号的数目小于最大计数值时将高电平第三比较数字信号的数目与最小 计数值进行比较，当高电平第三比较数字信号的数目是最小计数值或更小 时输出增加快门打开时间的快门控制信号，且当高电平第三比较数字信号 的数目大于最小计数值时输出维持快门打开时间的快门控制信号。
所述光学指向系统可进一步包括多个用于快门控制的像素，用于响 应于复位信号而执行初始化操作，且当响应于像素选择信号而选择了所述 一个或 一个以上像素时产生并输出具有与所述接收光的量成比例的电压的 多个用于快门控制的模拟信号；以及用于快门控制的信号选择器，用于接 收用于快门控制的模拟信号，且响应于来自所述快门控制电路的用于快门 控制的模拟信号选择信号而选择并输出用于快门控制的模拟信号中的至少 一者。
所述第二比较器可接收所述模拟信号中的一者和用于快门控制的模拟 信号中的至少一者，比较各电压，且产生并输出第四比较数字信号。
所述第二比较器可以当所述选定像素的电压信号中的一者具有高于用 于快门控制的模拟信号的电压时产生并输出具有高电平的第四比较数字信 号，且当所述选定像素的电压信号中的一者具有低于用于快门控制的模拟 信号的电压时产生并输出具有低电平的第四比较数字信号。
所述快门控制电路可以当高电平第四比较数字信号的数目是最大计数 值或更大时输出减少快门打开时间的快门控制信号，当高电平第四比较数 字信号的数目小于最大计数值时将高电平第四比较数字信号的数目与最小 计数值进行比较，当高电平第四比较数字信号的数目是最小计数值或更小 时输出增加快门打开时间的快门控制信号，当高电平第四比较数字信号的 数目大于最小计数值时输出维持快门打开时间的快门控制信号，且接收用 于快门控制的模拟信号以输出选择用于快门控制的模拟信号中的所述至少 一者的用于快门控制的模拟信号选择信号。
用于快门控制的像素可位于所述像素的外部的一部分处、包围所述像 素的外部或位于所述像素的内部的 一部分处。
所述光学指向系统可进一步包括:拾取状态^^测器，其与用于快门控制
13的信号选择器并联连接，接收用于快门控制的模拟信号，比较各输出，确
定所述光学指向系统是否被拾取，且使保持请求信号输出；以及表面状态
检测器，其与用于快门控制的信号选择器并联连接，接收用于快门控制的 模拟信号，比较所述输出，且向外部主机计算机输出指示工作台表面状态 的表面信息信号。


通过参看附图详细描述本发明的示范性实施例，所属领域的技术人员
将更容易了解本发明的上述和其它特征与优点，在附图中
图1是具有图像传感器的常规光学指向系统的内部结构的方框图。 图2是根据本发明第一示范性实施例的图像传感器的配置的图。 图3是图2的单位像素的详细电路图。
图4是具有图2的图像传感器的光学指向系统的内部结构的方框图。 图5是根据本发明第二示范性实施例的具有图像传感器的总体光学指 向系统的方框图。
图6是根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统中的图像传感器 的配置的图。
图7说明在根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统中根据操作 时间分类的帧与快门控制周期选择信号之间的关系。
图8是根据本发明第二示范性实施例的包含经改进的参考电压产生单 元的总体光学指向系统的方框图。
图9是根据本发明第三示范性实施例的具有图像传感器的总体光学指 向系统的方框图。
图10是根据本发明第三示范性实施例的光学指向系统中的图像传感 器、行选择器、列选择器以及第一比较器的详细方框图。
图11是根据本发明第四示范性实施例的具有图像传感器的总体光学指 向系统的方框图。
图12说明根据本发明第四示范性实施例的具有图像传感器的另一光学 指向系统的总体方框图。
具体实施例方式
现将在下文中参看附图更全面地描述本发明，附图中绘示本发明的示 范性实施例。然而，本发明可以不同形式来实施，且不应解释为限于本文 陈述的实施例。事实上，提供这些实施例以使得本揭示内容将是详尽且完 整的，并将本发明的范围全面传达给所属领域的技术人员。说明书中相同 标号始终指代相同元件。图2是根据本发明第一示范性实施例的图像传感器的配置的图。 参看图2,本发明的图像传感器10包含多个像素111到1NN，其构成N
x N像素阵列(其中N为正整数)。每一像素(例如，像素112)均具有光
电池(photocell ) 1121、比4交器1122以及开关1123。
像素111到l丽在复位信号RS和快门控制信号CSH的控制下产生一种
对象的二维图像，且每一像素产生具有对应于其图像区域的亮度的值的1
位数字信号IS0。
图像传感器10在像素选择信号PS的控制下将通过像素111到INN产
生的W个l位数字信号ISO输出到外部。
下文将更详细地描述图像传感器10的每一像素，例如像素112。 像素113的光电池1121响应于复位信号RS而执行初始化操作。当完
成初始化操作时，光电池1121产生具有与入射光量成比例的电压的模拟信
号PC12。
将产生的模拟信号PC12提供到相应像素112的比较器1122以及相邻 像素113的比较器1132。
比较器1122在快门控制信号CSH的控制下将位于相应像素112内的光 电池1121的输出信号PC12与位于相邻像素113内的光电池1131的输出信 号PC13进行比较。
由于比较器1122的比较操作的缘故，当位于相应像素112内的光电池 1121的输出信号PC12的电压高于位于相邻像素113内的光电池1131的输 出信号PC13的电压时，产生具有高电平的1位数字信号。然而，当光电池 1121的输出信号PC12的电压低于光电池1131的输出信号PC13的电压时，产 生具有低电平的1位数字信号C0M012。
此时，对于包含在没有相邻像素的像素INN中的比较器1N3，可使用由 参考电压产生电路(未图示)产生的参考电压Vref或另一相邻像素的输出 信号。
此处，比较器1122是锁存器型比较器，其在快门控制信号CSH的控制 下类似于存储器那样操作，且维持着通过比较而产生的l位数字信号。
在此方面，比较器1122执行快门功能，使得本发明的图像传感器不需 要单独的快门结构。
开关1123接收比较器1122的输出信号C0M012,且在像素选择信号PS 的控制下将所接收的输出信号C0M012输出到外部。
图3是图2的单位像素112的详细电路图。
参看图3,本发明的单位像素112包含光电池1121、比较器1122以及 开关1123。光电池1121包含第一光电二极管PD1和第四p沟道金属氧化物 半导体(p-channel metal oxide semiconductor, PM0S)晶体管MP4。 第一光电二极管PD1以连接到接地VSS的阳极来接收光，并产生与所接收光 的量成比例的光电流IPH，且第四PM0S晶体管MP4具有连接到电源电压VDD 的源极端子、复位信号RS施加到的栅极端子以及连接到第 一光电二极管PD1 的阴极的漏极端子。此处，根据一般光电二极管电路的特性，光电池1121 的第一光电二极管PD1在其自身中具有寄生电容器(未图示)。
比较器1122包含第一PM0S晶体管MP1,其具有连接到电源电压VDD的 源极端子和偏置控制信号BS施加到的栅极端子；第二 PM0S晶体管MP2，其 具有连接到第一PMOS晶体管MP1的源极端子和光电池1121的;^莫拟信号PC10 施加到的栅极端子；第三PMOS晶体管MP3，其具有连接到第一 PMOS晶体管 MP1的源极端子和相邻光电池1131 (未图示)的模拟信号PC13施加到的栅 极端子；第一 N沟道金属氧化物半导体(N-channel metal oxide semiconductor, NM0S )晶体管MN1，其具有连接到第二 PMOS晶体管MP2的 漏极端子的漏极端子和连接到接地VSS的源极端子；第二 NMOS晶体管MN2, 其具有连接到第三PMOS晶体管MP3的漏极端子的漏极端子和连接到接地 VSS的源极端子；第三NMOS晶体管MN3，其具有连接到第二 PMOS晶体管MP2 的漏极端子的漏极端子、快门控制信号CSH施加到的栅极端子和连接到接 地VSS的源极端子；以及第四丽OS晶体管MN4,其具有连接到第三PMOS晶 体管MP3的漏极端子的漏极端子、快门控制信号CSH施加到的栅极端子和 连接到接地VSS的源极端子。
开关1123包含第五NMOS晶体管應5，其具有接收像素选择信号PS的 栅极端子、比较器1122的数字信号C0M012施加到的漏极端子和图像传感 器的数字信号ISO输出到的源极端子。
下文将描述如上配置的单位像素112的操作。
仅在紧随施加功率之后的初始化时间处或在操作期间需要的情况下设 定通过具有低电平的复位信号RS初始化的第一光电二极管PD1的初始电 压。而且，在操作期间的初始化时间处，施加具有高电平的快门控制信号 CSH和具有适当电平的偏置信号BS。偏置信号BS当其不执行接通/断开操 作时在电路中稳定地操作，但其可在初始化时间处执行接通/断开操作以便 减少电流消耗。在操作期间的初始化时间处，第一 PMOS晶体管MPl响应于 具有高电平的偏置信号BS而断开，且第三丽OS晶体管MN3和第四NMOS晶 体管MN4响应于具有高电平的快门控制信号CSH而接通。因此，节点A和B 具有接地电压。因此，在操作期间的初始化时间处，使比较器1122的操作 停止，且产生具有接地电压的输出信号C0M012。
在此状态中，当施加具有适当电平的偏置电压BS且将快门控制信号CSH 切换到低电平时，第四PMOS晶体管MP4以及第三NMOS晶体管MN3和第四 丽OS晶体管MN4断开，且第一 PMOS晶体管MPl接通，因此启用该比较器1122的操作。因此，单位像素112可检测光量。
当单位像素112的第一光电二极管PD1接收到比相邻单位像素113的 相邻光电二极管(未图示)的光量多的光量时，流过第一光电二极管PD1 的电流大于流过相邻光电二极管(未图示)的电流。
因此，输出信号PC12具有低于输出信号PC13的电压。
接着，流过第二 PMOS晶体管MP2的电流变为大于流过第三PMOS晶体 管MP3的电流，因此，节点A的电压变为高于节点B的电压。
另外，当节点A的电压变为足够高以接通第二NM0S晶体管MN2时，节 点B的电压变为接地电压。换句话说，输出信号C0M012变为低电平。
此时，当将具有高电平的像素选择信号PS施加于开关1123时，第五 丽OS晶体管MN5接通，且传送具有低电平的输出信号COM012作为信号ISO。
另一方面，当单位像素112的第一光电二极管PD1 4妻收到比相邻单位 像素113的相邻光电二极管(未图示)的光量少的光量时，流过第一光电 二极管PD1的电流小于流过相邻光电二极管(未图示)的电流。
因此，输出信号PC12具有高于输出信号PC13的电压。接着，流过第 三PMOS晶体管MP3的电流变为大于流过第二 PMOS晶体管MP2的电流，因 此节点B的电压变为高于节点A的电压。
另外，当节点B的电压变为足够高以接通第一画0S晶体管MN1时，节 点A的电压变为接地电压，且节点B的电压变得更高。换句话说，输出信 号C0M012变为高电平。
此时，当将具有高电平的像素选择信号PS施加于开关1123时，第五 画OS晶体管MN5接通，且传送具有高电平的输出信号C0M012作为信号ISO。
由此，本发明的单位像素包含以锁存器类型操作的比较器1122，进而 提供与具有相当高分辨率等级的模拟/数字(analog/digital, A/D)转换 器相同的效用。
另外，由于比较器1122维持着通过比较操作而产生的1位数字信号 C0M012直到施加下一快门控制信号CSH为止，因此比较器1122不需要单独 的快门结构。
图4是具有图2的图像传感器的光学指向系统的内部结构的方框图。
参看图4，本发明的光学指向系统除了图2的图像传感器10以外还进 一步包含图像处理器11和快门控制电路12。
图4的图像传感器IO具有与图1的图像传感器相同的结构和操作，因 此将省略其详细描述。
图像传感器10产生N2个具有对应于每一图像区域的亮度的值的1位数 字信号ISO，且将所产生的1位数字信号输出到外部。
图像处理器11使用从图像传感器10接收的W个1位数字信号ISO以
17获得一种对象的图像，将对象的所获得的当前图像与对象的先前图像进行
比较以计算移动值V (K)，且接着输出所计算的移动值V (K)。
另外，图像处理器11产生用于初始化图像传感器10的每一像素的复 位信号RS和用于从图像传感器10接收W个1位数字信号ISO的像素选择 信号PS，且接着将它们提供到图像传感器10。另外，图像处理器ll产生 用于控制图像传感器10的快门的曝光时间的快门信息供应信号IP0 (用于 提供快门信息的信号)，且接着将其提供到快门控制电路12。当快门控制电 路12执行用于计算复杂的快门打开时期的主动功能时，快门信息供应信号 IP0可以是指示操作时间的简单开始信号。然而，当快门控制电路12执行 简单的被动功能时，快门信息供应信号IP0必须是包含关于其中快门必须 打开的时期的信息的信号。
快门控制电路12响应于从图像处理器11给出的快门信息供应信号IP0 而产生快门控制信号CSH并将其提供到图像传感器10。
图5是根据本发明第二示范性实施例的具有图像传感器的总体光学指 向系统的方框图。所述光学指向系统包含参考电压产生单元14、图像传感 器10、多路分用器16、图像处理器11和快门控制电路12。
所述光学指向系统不同于图4所示的根据本发明第一示范性实施例的 光学指向系统的地方在于，其另外具有参考电压产生单元14和多路分用器 16。
此处，图像处理器11和快门控制电路12可组合为移动计算与快门控 制单元，或者所有区块都可集成在一个半导体芯片上。
图6是根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统中的图像传感器 10的配置的图。所述图像传感器包含多个像素111到1NN，其构成N x N 像素阵列，且每一像素(例如，像素112)具有光电池1121、比较器1122 以及开关1123。
图7说明在根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统中根据操作 时间分类的帧与快门控制周期选择信号之间的关系。多个计算帧M-l到M-m 和多个快门控制帧S-l到S-n在共享时间的同时多路传输。
图7中，举例来说，3400个帧可对应于一秒。在此情况下，在每一移 动计算帧期间，从N x N个像素来施加图像数据，且将位于相应像素112 中的光电池1121的输出信号PC12与位于相邻像素113中的光电池1121的 输出信号PC13进行比较。在每一快门控制帧期间，从NxN个像素施加图 像数据，且将位于相应像素112中的光电池1121的输出信号PC12与参考 电压进行比较。
当各移动计算帧M-l到M-m以及各快门控制帧S-l到S-n(共3400个) 共享一秒(即，多路传输)时，快门控制信号CHS在快门控制帧S-l到S-n
18被选取的时期中变为高电平。可存在具有高电平的多个快门控制信号CHS。参看图5到7，下文将描述根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统的区块的功能。
参考电压产生单元14从外部接收电源电压VDD并产生参考电压Vref以与从相应像素111到l丽输出的电压信号进行比较。
在响应于图像处理器11的复位信号RS而执行初始化操作之后，图像传感器IO获得物体的二维图像以产生具有与入射光量成比例的电压的模拟信号，并响应于快门控制信号CHS而将所述模拟信号提供到相应像素112的比较器1122和相邻像素113的比较器1132，以将所述模拟信号与位于相邻像素113中的光电池1121的输出信号PC13或参考电压Vref进行比较，且输出用于移动计算的1位数字信号sig-m或用于快门控制的1位数字信号s ig —sh。
多路分用器16接收用于移动计算的l位数字信号sig—m和用于快门控制的1位数字信号sig_sh，并响应于快门控制周期选择信号SCS而输出所述两个1位数字信号sig-m和sig-sh中的一者。
图像处理器11输出初始化图像传感器10的复位信号RS、选择像素111到l丽之一的像素选择信号PS以及选择快门控制帧时期的快门控制周期选择信号SCS，在所述快门控制帧时期中从像素111到1NN施加图像数据，且将位于相应像素112中的光电池1121的输出信号PC12与参考电压Vref进行比较。而且，图像处理器11从多路分用器16接收用于移动计算的1位数字信号sigj,获得物体的图像，且计算并输出移动值V(K)。
快门控制电路12接收用于快门控制的l位数字信号sig-sh，对高电平信号数目计数，将所计数数目与先前设定的高电平信号最大计数值和最小计数值进行比较，并输出调节快门打开时间的快门控制信号CSH。
将参看图5和7描述根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统的操作。
假定图像传感器10由18 x 18像素阵列(即，324个像素)组成，当因为位于相应像素112中的光电池的输出信号PC12的电压高于参考电压Vref而具有高电平的用于快门控制的l位数字信号sig-sh的数目是两百或两百以上时，入射光量可认为太大，且最大计数值可为例如两百。另一方面，当具有高电平的用于快门控制的l位数字信号sig-sh的数目是一百或一百以下时，入射光量可认为太小，且最小计凄t值可为例如一百。
当参考电压产生单元14从外部接收电源电压VDD并产生参考电压Vref时，图像传感器10的像素111到1NN在复位信号RS和快门控制信号CSH的控制下产生物体的二维图像，且包含于相应像素111到1NN中的光电池响应于复位信号RS而执行初始化操作，且接着产生具有与入射光量成比例的电压的模拟信号。
将产生的模拟信号PC12提供到相应像素112的比较器1122和相邻像素113的比较器1132，且比较器1122响应于快门控制信号CHS而将位于像素112中的光电池1121的输出信号PC12与位于相邻像素113中的光电池1121的输出信号PC13或参考电压Vref进行比较。
换句话说，当快门控制信号CHS为低电平时，将位于像素112中的光电池1121的输出信号PC12与位于相邻像素113中的光电池1121的输出信号PC13进行比较。当位于像素112中的光电池1121的输出信号PC12具有比位于相邻像素113中的光电池1121的输出信号PC13高的电压时，产生并输出具有高电平的用于移动计算的l位数字信号sig_m。另一方面，当位于像素112中的光电池1121的输出信号PC12具有比位于相邻像素113中的光电池1121的输出信号PC13低的电压时，产生并输出具有低电平的用于移动计算的1位数字信号sig_m。
当快门控制信号CHS是高电平时，将位于像素112中的光电池1121的输出信号PC12与参考电压Vref进行比较。此处，当位于像素112中的光电池1121的输出信号PC12具有比参考电压Vref高的电压时，产生并输出具有高电平的用于快门控制的1位数字信号sig-sh。另一方面，当位于像素112中的光电池1121的输出信号PC12具有比参考电压Vref低的电压时，产生并输出具有高电平的用于快门控制的1位数字信号s ig_sh。
多路分用器16接收用于移动计算的l位数字信号sig-m和用于快门控制的1位数字信号sig-sh。接着，多路分用器16在快门控制周期选择信号SCS为低电平时选择并输出用于移动计算的1位数字信号sig-m，且在快门控制周期选择信号SCS为高电平时选择并输出用于快门控制的1位数字信号sig—sh。
图像处理器11从多路分用器16接收W个用于移动计算的1位数字信号sig-m，并使用所述用于移动计算的1位数字信号sig-m来获得物体的图像。而且，图像处理器ll将所获得的物体图像与先前获得的物体图像进行比较，且计算并输出一移动值V(K)。
快门控制电路12从多路分用器16接收用于快门控制的1位数字信号sig-sh,对高电平信号计数，将所计数数目与先前设定的高电平信号最大计数值和最小计数值进行比较，且输出调节快门打开时间的快门控制信号CSH。
更具体地说，当从多路分用器16输出的用于快门控制的1位数字信号sig_sh的数目是先前设定的高电平信号最大计数值(即，200或200以上)，那么输出减少快门打开时间的快门控制信号CSH。另一方面，当用于快门控制的1位数字信号sig-sh的数目小于先前设定的高电平信号最大计数值
20(即，200 )，那么将其与先前设定的高电平信号最小计数值(即，100)进行比较。
当用于快门控制的1位数字信号s ig_sh的数目是最小计数值100或100以下时，输出增加快门打开时间的快门控制信号CSH。然而，当用于快门控制的1位数字信号sig_sh的数目大于最小计数值100时，维持快门打开时间。
图8说明根据本发明第二示范性实施例的包含经改进的参考电压产生单元14的光学指向系统的总体方框图。所述光学指向系统包含参考电压产生单元14、图像传感器IO、多路分用器16、图像处理器11以及快门控制电路12，且参考电压产生单元14包含参考电压产生器15和多路复用器17。
图8所示的光学指向系统中包含的除参考电压产生单元14以外的区块的功能和操作是与图5到7所示的根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统中包含的区块的功能和操作相同，因此将不再描述。
所述两个光学指向系统之间的差异在于，由参考电压产生单元14产生的参考电压Vref可根据快门控制帧被选择的时期中所获得的计数值而自适应地变化。因此，参考电压Vref可在包含最大参考电压和最小参考电压的多个电压电平产生，并接着被选择和使用。
更具体地说，当从多路分用器16输出的用于快门控制的高电平l位数字信号sig-sh的数目是先前设定的高电平信号最大计数值(即，200或200以上)时，增加或减小参考电压Vref。而且，当用于快门控制的高电平1位数字信号sig_sh的数目小于最大计数值200时，将其与先前设定的高电平信号最小计数值(即，100)进行比较。
当用于快门控制的高电平1位数字信号sig-sh的数目是最小计数值100或100以下时，增加或减小参考电压Vref。然而，当用于快门控制的高电平1位数字信号sig-sh的数目大于最小计数值100时，维持该参考电压Vref。
为此，参考电压产生单元14可包含参考电压产生器15，其从外部接收电源电压VDD并产生多个参考电压；以及多路复用器17，其响应于来自快门控制电路12的参考电压选择信号而选择参考电压中的一者，并将选定的参考电压施加到图像传感器10。
在根据本发明第二示范性实施例的光学指向系统中，单位像素中的比较器如同根据本发明第一示范性实施例的单位像素中的比较器那样以锁存器类型操作，进而提供与具有相当高分辨率等级的A/D转换器相同的效用。另外，单位像素中的比较器或者响应于快门控制信号CHS而将位于相应像素112中的光电池1121的输出信号PC12与位于相邻像素113中的光电池1121的输出信号PC13或参考电压Vref进行比较，进而控制快门打开时间。
21此外，有可能使用根据快门控制帧被选择的时期中的用于快门控制的高电
平1位数字信号sig-sh的计lt值而自适应变化的参考电压Vref,且因此可改变快门打开时间。
图9是根据本发明第三示范性实施例的具有图像传感器100的总体光学指向系统的方框图。所述光学指向系统包含图像传感器100、行选择器18、列选择器19、参考电压产生单元24、第一到第三比较器20、 23和25、图像处理器11以及快门控制电路22。
图10说明根据本发明第三示范性实施例的光学指向系统中的图像传感器IOO、行选择器18、列选择器19以及第一比较器20的详细方框图。列选择器19包含多个列特定的开关SW1到SWN。
参看图9，图像传感器100包含多个像素211到2丽，其构成NxN像素阵列。每一像素(例如，像素212 )类似于图2所示的根据本发明第一示范性实施例的图^f象传感器10的^^素lll到l丽而配置有单独的光电池1121,且在其外侧具有图2的比较器1122和开关1123。
此处，图像处理器11和快门控制电路22可组合为移动计算与快门控制单元，第一到第三比较器20、 23和25可组合为一个比较单元，或者所有区块可集成在一个半导体芯片中。
下文将参看图9和10来描述根据本发明第三示范性实施例的光学指向系统的功能。
图像传感器100的像素211到2NN在复位信号RS和快门控制信号CSH的控制下产生物体的二维图像，且包含在相应像素211到2NN中的光电池响应于复位信号RS而执行初始化操作，且接着产生具有与入射光量成比例的电压的模拟信号。
行选择器18输出多个行选择信号PS_rl到PS-rN，其通过指定图像传感器100中的像素211到2NN的行地址而在垂直方向上选择像素。
列选择器19中的列特定的开关SW1到SWN响应于像素列选择信号PS一c而切换，且在水平方向上指定像素以使得在由行选择器18指定的行地址处选择一个像素。在选择像素之后，列选择器19接收并传送来自所述像素的与光量成比例的电压信号。
参考电压产生单元24从外部接收电源电压VDD并产生最大参考电压Vref-max和最小参考电压Vref-min以与从相应像素211到2NN输出的电压信号进行比较。
第一比较器20接收从列选择器19传送的选定像素的电压信号，响应于快门控制信号CSH而比较各电压，且产生并输出具有高电平或低电平的第一比较数字信号Sig-cl。
第二比较器23和第三比较器25从列选择器19接收各选定像素的电压
22信号中的一者并从参考电压产生单元24接收最大参考电压Vref-max和最小参考电压Vref-rain，比较各电压，且产生并输出具有高电平或低电平的第二比较数字信号Sig_c2和第三比较数字信号Sig_c3。
图像处理器11产生用于初始化像素的复位信号RS和像素选择信号PS，并将复位信号RS和像素选择信号PS提供到图像传感器100。另外，图像处理器11接收从第一比较器20输出的W个第一比较数字信号Sig-cl，使用所述第一比较数字信号Sig—cl来获得物体的图像，将所获得的物体图像与先前获得的物体图像进行比较，且计算并输出一移动值V(K)。
快门控制电路12将从第二比较器2 3和第三比较器25输出的高电平信号的计数值与先前设定的高电平信号最大计数值和最小计数值进行比较，且将调节快门打开时间的快门控制信号CSH输出并提供到第一比较器20。
下文将参看图9和10来描述4艮据本发明第三示范性实施例的光学指向系统的操作。
假定图像传感器100如同在第二示范性实施例中由18 x 18像素阵列(即，324个像素)组成，当因为位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12的电压高于位于像素212的上侧、下侧、左侧或右侧的一个选定的像素213中的光电池1131的输出信号PC13的电压而使具有高电平的1位数字信号的数目是两百或两百以上时，入射光量可认为太大，且最大计数值可为例如两百。另一方面，当具有高电平的l位数字信号的数目是一百或一百以下时，入射光量可认为太小，且最小计数值可为例如一百。
图像传感器的像素211到2NN从图像处理器11接收复位信号RS和快门控制信号CSH,且响应于所述信号而产生物体的二维图像。
举例来说，包含在像素211到2NN中的一个像素212中的光电池1121响应于复位信号RS而执行初始化操作，且当初始化操作完成时产生具有与入射光量成比例的电压的模拟信号PC12。
行选择器18和列选择器19依序指定具有对应于由图像处理器11设定的选择时间和待选择的像素的行地址和列地址的像素，且通过逐个读取像素而接收从每一像素的光电池输出的模拟图像数据。
举例来说，当图像处理器11指定第一行地址PS_rl时，通过指定第一列地址到第N列地址来接收图像数据。在此之后，当图像处理器11指定第二行地址PS-r2时，通过再次指定第一列地址到第N列地址来接收图像数据。以此方式，接收所有像素数据，进而获得一个帧的图像数据。
此处，行选择器18输出行选择信号PS_rl到PS-rN，其通过指定图像传感器100中的像素211到2NN的行地址来在垂直方向上选择像素，且列选择器19的相应的列特定的开关SW1到S丽响应于来自图像处理器11的像素列选择信号PS-c而切换以在水平方向上指定像素。因此，位于沿着由从行选择器18输出的行选择信号PS_rl到PS-rN指定的行地址的交叉点处的一个像素被选择，且从选定的像素输出多个与光量成比例的电压信号。
第一比较器20从列选择器19接收选定的像素的电压信号Vsig_A和Vsig-B，且响应于快门控制电路22的快门控制信号CSH而比较电压。第一比较器20当位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12具有高于位于像素212的上侧、下侧、左侧或右侧的一个选定的^f象素213中的光电池1131的输出信号PC13的电压时，产生并输出具有高电平的第一比较数字信号Sig_cl，且当光电池1121的输出信号PC12具有低于光电池1131的输出信号PC13的电压时，产生并输出具有低电平的第一比较数字信号Sig一cl。
同时，当参考电压产生单元24从外部接收电源电压VDD且产生最大参考电压Vref—max和最小参考电压Vref—min时，第二比较器23从列选择器19接收选定的像素的电压信号Vsig—A和Vsig-B之一并从参考电压产生单元24接收最大参考电压Vref _max,且比较各电压。第二比较器23当位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12具有高于最大参考电压Vref-max的电压时，产生^HIr出具有高电平的第二比较数字信号Sig-c2,且当光电池1121的输出信号PC12具有低于最大参考电压Vref-max的电压时，产生并输出具有低电平的第二比较数字信号Sig—c2。
第三比较器25从列选择器19接收选定的像素的电压信号Vsig—A和Vsig-B之一且从参考电压产生单元24接收最小参考电压Vref-min，且比较各电压。第三比较器25当位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12具有高于最小参考电压Vref-min的电压时，产生并输出具有高电平的第三比较数字信号Sig-c3,且当光电池1121的输出信号PC12具有低于最小参考电压Vref-min的电压时，产生并输出具有低电平的第三比较数字信号Sig-c3。
图像处理器11从第一比较器20接收W个第一比较数字信号Sig-cl，且使用第一比较数字信号Sig-cl获得物体的图像。而且，图像处理器11将所获得的物体图像与先前获得的物体图像进行比较，且计算并输出一移动值V (K)。
快门控制电路22从第二比较器23接收第二比较数字信号Sig-c2并从第三比较器25接收第三比较数字信号Sig_c3,对具有高电平的第二比较数字信号Sig_c2的数目和具有高电平的第三比较数字信号Sig_c3的数目计数，将所得数目与先前设定的高电平信号最大和最小计数值进行比较，且输出调节快门打开时间的快门控制信号CSH。
更具体地说，当由第二比较器23产生的高电平第二比较数字信号Sig-c2的数目是先前设定的高电平信号最大计数值(即，200或200以上)时，输出减少快门打开时间的快门控制信号CSH。另一方面，当高电平第二比较数字信号Sig—c2的数目小于先前设定的最大计数值200时，将由第三比较器25产生的高电平第三比较数字信号Sig_c3的数目与先前设定的高电平信号最小计数值(即，IOO)进行比较。
当高电平第三比较数字信号Sig-c3的数目是最小计数值100或100以下时，输出增加快门打开时间的快门控制信号CSH。然而，当高电平第三比较数字信号Sig_c3的数目大于最小计数值100时，维持快门打开时间。
在根据本发明第三示范性实施例的光学指向系统中，比较器20、 23和25如同根据本发明第 一示范性实施例的单位像素中的比较器以锁存器类型操作，进而提供与具有相当高分辨率等级的A/D转换器相同的效用。另夕卜，通过图像传感器100中的每一像素均配置有单独的光电池，将位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12的电压与位于像素212上侧、下侧、左侧或右侧的一个选定的像素213中的光电池1131的输出信号PC13的电压进行比较。因此，可改变快门打开时间。
图11是根据本发明第四示范性实施例的具有图像传感器100的总体光学指向系统的方框图。所述光学指向系统包含图像传感器100、行选择器18、列选择器19、多个用于快门控制的像素100-1到100-4、用于快门控制的信号选择器34、第一比较器30和第二比较器33、图像处理器ll以及快门控制电路32。
图12说明根据本发明第四示范性实施例的具有图像传感器的另 一 光学指向系统的总体方框图。所述光学指向系统除了图ll所示的才艮据本发明第四示范性实施例的光学指向系统的组成以外还包含电压电平比较器36、拾取状态;险测器(pickup state detector ) 37以及表面状态;险测器(surfacestate detector ) 39。
如同在图9所示的根据本发明第三示范性实施例的光学指向系统中，根据本发明第四示范性实施例的图像传感器100包含多个像素211到2NN,其构成NxN像素阵列，且每一像素(例如，像素212)均配置有单独的光电池1121且在其外侧具有比较器1122和开关1123。根据本发明第四示范性实施例的光学指向系统不同于图9所示的光学指向系统的地方在于，其具有用于快门控制的像素100-1到100-4和用于快门控制的信号选择器34来代替参考电压产生单元24。
类似地，图像处理器11和快门控制电路32可组合为移动计算与快门控制单元，第一比较器30和第二比较器33可组合为一个比较单元，或者所有区块可集成在一个半导体芯片中。
下文将参看图11和12来描述根据本发明第四示范性实施例的光学指向系统的区块的功能。
图像传感器IOO、行选择器18、列选择器19、第一比较器30以及图像处理器11的功能与图9所示的根据本发明第三示范性实施例的光学指向系统的那些功能相同，因此将不再次描述。
类似于图像传感器100的像素211到2丽，用于快门控制的像素IOO-I到100-4响应于图像处理器11的复位信号RS而执行初始化操作，以产生物体的二维图像，且产生具有与入射光量成比例的电压的模拟信号。然而，像素100-1到100-4不同于像素211到2丽的地方在于，其既定目标并不用于移动值计算而是用于快门控制。
用于快门控制的信号选择器34从用于快门控制的像素IOO-I到100-4接收多个用于快门控制的信号Sl到S4，且响应于来自快门控制电路32的用于快门控制的信号选择信号SCSS而选择并输出至少一个用于快门控制的信号Sig-sh。
第二比较器33从列选择器19接收选定的像素的电压信号Vsig-A和Vs ig_B之一且从用于快门控制的信号选择器34接收选定的用于快门控制的信号Sig-sh,比较各电压，且产生并输出具有高电平或^f氐电平的用于快门控制的第二比较数字信号Sig—c2。
快门控制电路32将从第二比较器33输出的高电平信号计数值与先前设定的高电平信号最大和最小计数值进行比较，且将调节快门打开时间的快门控制信号CSH输出并提供到第一比较器30。
如图11说明，用于快门控制的像素100-1到100-4可安置在像素阵列外部的数个部分处、在像素阵列外部周围或在像素阵列内部的数个部分处。
另外，如图12说明，根据本发明第四示范性实施例的光学指向系统可另外包含拾取状态检测器37，其与用于快门控制的信号选择器34并联连接，从用于快门控制的像素100-1到100-4接收用于快门控制的信号Sl到S4,比较各输出，确定光学指向系统是否被拾取，且输出一保持请求信号Hold-req;以及表面状态检测器39，其根据用于快门控制的信号Sl到S4之间的差异而输出指示工作台状态的表面信息信号Sur — st。
下文将参看图11和图12来描述根据本发明第四示范性实施例的光学指向系统的操作。
图像传感器100、行选择器18、列选择器19、第一比较器30以及图像处理器11以与图6所示的根据本发明第四示范性实施例的光学指向系统的那些相同的方式来进行操作，因此将不再描述。
假定图像传感器100如同在第二和第三示范性实施例中由18 x 18像素阵列(即，324个像素)组成，当因为位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12的电压高于一个选定的用于快门控制的信号Sig_sh的电压而使具有高电平的用于快门控制的第二比较数字信号Sig—c2的数目是两百或两百以上时，入射光量可认为太大，且最大计数值可为例如两百。另一方面，当具有高电平的用于快门控制的第二比较数字信号Sig-c2的数目是一百或一百以下时，入射光量可认为太小，且最小计数值可为例如一百。
当用于快门控制的像素100-1到100-4在响应于图像处理器11的复位信号RS而执行初始化操作之后获得物体的二维图像并产生与入射光量成比例的用于快门控制的模拟信号时，用于快门控制的信号选择器34从用于快门控制的像素100-1到100-4接收用于快门控制的信号Sl到S4，并响应于来自快门控制电路32的用于快门控制的信号选择信号SCSS而选择并输出至少一个用于快门控制的信号Sig-sh。
第二比较器33从列选择器19接收选定的像素的电压信号Vsig_A和Vsig-B之一且从用于快门控制的信号选择器34接收选定的用于快门控制的信号Sig-sh,且比较各电压。第二比较器33当位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12具有高于选定的用于快门控制的信号Sig-sh的电压时，产生并输出具有高电平的用于快门控制的第二比较数字信号Sig—c2，且当光电池1121的输出信号PC12具有低于选定的用于快门控制的信号Sig_sh的电压时，产生并输出具有低电平的用于快门控制的第二比较数字信号Sig—c2。
当由第二比较器33产生的高电平第二比较数字信号Sig_c2的数目是先前设定的高电平信号最大计数值(即，200或200以上)时，快门控制电路32输出减少快门打开时间的快门控制信号CSH。另一方面，当高电平第二比较数字信号Sig_c2的数目小于最大计数值200时，快门控制电路32将高电平第二比较数字信号的数目与先前设定的高电平最小计数值(即，100)进行比较。
快门控制电路32当高电平第二比较数字信号的数目是最小计数值100或100以下时输出增加快门打开时间的快门控制信号CSH,且当高电平第二比较数字信号的数目大于最小计数值100时维持快门打开时间。
同时，如图12的说明，根据本发明第四示范性实施例的光学指向系统可另外包含拾取状态检测器37，其与用于快门控制的信号选择器34并联连接，从用于快门控制的像素100-1到100-4接收用于快门控制的信号Sl到S4，比较各电压以分析电压差异，确定光学指向系统是否被拾取，且输出一保持请求信号Hold-req;以及表面状态检测器39,其根据用于快门控制的信号Sl到S4之间的电压差异而向外部主机计算机输出指示工作台表面状态的表面信息信号Sur_st。
在根据本发明第四示范性实施例的光学指向系统中，第一比较器30如同根据本发明第 一示范性实施例的单位像素中的比较器以锁存器类型操
27作，进而提供与具有相当高分辨率等级的A/D转换器相同的效用。另外，通过图像传感器100中的每一像素均配置有单独的光电池，将位于相应像素212中的光电池1121的输出信号PC12的电压以及位于像素212的上侧、下側、左侧或右侧的一个选定的像素213中的光电池1131的输出信号PC13的电压与从用于快门控制的像素100-1到100-4输出的用于快门控制的信号Sl到S4的电压(并非参考电压)进行比较。因此，可改变快门打开时间。
如上所述，根据本发明图像传感器和使用其的光学指向系统，所述图像传感器通过每一像素的比较器来执行数字转换和前置滤波的功能，因此有可能输出l位数字信号。因此，不需要具有高分辨率的A/D转换器和前置滤波器，且有可能减小布局面积。
另外，通过图像传感器中的每一像素均配置有单独的光电池，将位于相应像素中的光电池的输出信号的电压以及位于所述相应像素的上侧、下侧、左侧或右侧的像素中的光电池的输出信号的电压与参考电压或用于快门控制的信号的电压进行比较。因此，可改变快门打开时间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何筒单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
28
权利要求
1. 一种图像传感器，其特征在于其具有多个像素，每一像素包括光电池，用于接收光并产生具有对应于所述接收光的量的电压的模拟信号；比较器，用于将所述光电池的所述模拟信号与相邻像素的模拟信号进行比较以输出用于移动计算的数字信号，或将所述光电池的所述模拟信号与参考值进行比较以输出用于快门控制的数字信号；以及开关，用于响应于像素选择信号而传送所述用于移动计算的数字信号和所述用于快门控制的数字信号。
2. 根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述光电池具有产生 对应于所述接收光的量的光电流的光电二极管。
3. 根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述比较器是锁存器 型比较器，所述比较器当所述光电池的所述模拟信号大于所述相邻像素的所述 模拟信号或参考信号时输出第一信号，且当所述光电池的所述模拟信号小于所述相邻像素的所述模拟信号或所述参考信号时输出第二信号。
4. 根据权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述第一信号是具有 高电压的所述用于移动计算的数字信号和所述用于快门控制的数字信号，且所 述第二信号是具有低电压的所述用于移动计算的数字信号和所述用于快门控制 的数字信号。
5. —种光学指向系统，其特征在于其包括 参考电压产生单元，用于产生参考电压；图像传感器，其具有多个像素，接收光，产生对应于所述接收光的量的多个 模拟信号，且响应于快门控制信号而比较相邻像素的模拟信号以产生用于移动 计算的数字信号，或将所述模拟信号与所述参考电压进行比较以产生用于快门 控制的数字信号；信号选择器，用于接收所述用于移动计算的数字信号和所述用于快门控制 的数字信号，且响应于快门控制周期选择信号而选择并输出所述用于移动计算 的数字信号和所述用于快门控制的数字信号中的一者；移动计算与快门控制单元，用于接收所述用于移动计算的数字信号以获得 物体的图像并输出所述光学指向系统的移动值和所述快门控制周期选择信号， 且接收所述用于快门控制的数字信号以将高电平计数值与最大计数值和最小计 数值进行比较并输出所述快门控制信号。
6. 才艮据权利要求5所述的光学指向系统，其特征在于，所述移动计算与快 门控制单元包含图像处理器，用于产生复位信号和像素选择信号，且接收所述用于移动计算的数字信号以获得所述物体的所述图像并输出所述光学指向系统的所述移动值和所述快门控制周期选择信号；以及快门控制电路，用于接收所述用于快门控制的数字信号以预先设定所述高 电平最大计数值和最小计数值，且将用于快门控制的高电平数字信号的数目与 所述最大计数值和所述最小计数值进行比较以输出所述快门控制信号。
7. 根据权利要求6所述的光学指向系统，其特征在于，所述图像传感器的 每一像素包含光电池，用于接收所述光并产生具有对应于所述接收光的量的电压的模拟 信号；比较器，用于响应于所述快门控制信号而比较相邻像素的所述模拟信号以 产生所述用于移动计算的数字信号，或将所述像素的所述模拟信号与所述参考 电压进行比较以产生所述用于快门控制的数字信号；以及开关，用于接收所述用于移动计算的数字信号和所述用于快门控制的数字 信号，并响应于所述像素选择信号而切换以传送所述用于移动计算的数字信号 和所述用于快门控制的数字信号。
8. 根据权利要求7所述的光学指向系统，其特征在于，所述图像处理器产 生初始化所述像素的所述复位信号、选择所述像素中的至少一者的所述像素选 择信号以及为将所述选定像素的输出信号与所述参考电压进行比较而选择快门 控制帧时期的所述快门控制周期选择信号并将以上信号输出到所述图像传感 器，接收所述用于移动计算的数字信号以使用所述数字信号获得所述物体的所 述图像，且将所述物体的所述图像与所述物体的先前获得的图像进行比较以计 算并输出所述光学指向系统的所述移动值。
9. 根据权利要求8所述的光学指向系统，其特征在于，所述快门控制电路 当所述用于快门控制的高电平数字信号的数目是所述最大计数值或更大时输出 减少快门打开时间的所述快门控制信号，当所述用于快门控制的高电平数字信 号的数目小于所述最大计数值时将所述用于快门控制的高电平数字信号的数目 与所述最小计数值进行比较，当所述用于快门控制的高电平数字信号的数目是 所述最小计数值或更小时输出增加所述快门打开时间的所述快门控制信号，且 当所述用于快门控制的高电平数字信号的数目大于所述最小计数值时输出维持 所述快门打开时间的所述快门控制信号。
10. 根据权利要求9所述的光学指向系统，其特征在于，所述快门控制电路 预先设置所述用于快门控制的高电平数字信号的所述最大计数值和所述最小计 数值，且将所述用于快门控制的高电平数字信号的数目与所述最大计数值和所 述最小计数值进行比较以输出参考电压选择信号。
11. 根据权利要求10所述的光学指向系统，其特征在于，所述参考电压产生单元包含参考电压产生器，用于从外部接收电源电压并产生多个参考电压；以及 多路复用器，用于接收所述参考电压并响应于所述参考电压选择信号而选 择所述多个参考电压中的一者。
12. 根据权利要求11所述的光学指向系统，其特征在于，所述快门控制电 路当所述用于快门控制的高电平数字信号的数目是所述最大计数值或更大时输 出从所述参考电压中选择低参考电压的所述参考电压选择信号，当所述用于快 门控制的高电平数字信号的数目小于所述最大计数值时将所述用于快门控制的 高电平数字信号的数目与所述最小计数值进行比较，当所述高电平数字信号的 数目是所述最小计数值或更小时输出从所述参考电压中选择高参考电压的所述 参考电压选择信号，且当所述高电平数字信号的数目大于所述最小计数值时输 出维持所述参考电压的所述参考电压选择信号。
13. —种光学指向系统，其特征在于其包括图像传感器，用于响应于复位信号和像素选择信号而接收光，且产生并输 出对应于所述接收光的量的多个模拟信号；比较器，用于接收所述模拟信号以响应于快门控制信号而比较电压并产生 第一比较数字信号，且接收所述模拟信号中的一者、最大参考电压和最小参考 电压以比较各电压且产生并输出第二和第三比较数字信号；以及移动计算与快门控制单元，用于接收所述第一比较数字信号以计算所述光 学指向系统的移动值，且接收所述第二和第三比较数字信号以将高电平计数值 与高电平第一比较数字信号的最大计数值和最小计数值进行比较并输出所述快 门控制信号。
14. 根据权利要求13所述的光学指向系统，其特征在于，所述比较器包含 第一比较器，用于接收所述模拟信号以响应于所述快门控制信号而比较所述各电压，且产生并输出所述第一比较数字信号；以及第二比较器，用于接收所述模拟信号中的所述一者、所述最大参考电压和 所述最小参考电压以比较各电压，且产生并输出所述第二和第三比较数字信号。
15. 根据权利要求14所述的光学指向系统，其特征在于，所述移动计算与 快门控制单元包含图像处理器，用于产生所述复位信号和所述像素选择信号，且接收所述第 一比较数字信号以获得物体的图像，且计算并输出所述光学指向系统的所述移 动值；以及快门控制电路，用于预先设定所述高电平第一比较数字信号的所述最大计 数值和所述最小计数值，且将高电平第二比较数字信号的数目和高电平第三比 较数字信号的数目与所述最大计数值和所述最小计数值进行比较以输出所述快门控制信号。
16. 根据权利要求15所述的光学指向系统，其进一步包括 参考电压产生单元，用于从外部接收电源电压且产生所述最大参考电压和所述最小参考电压；行选择器，用于输出通过指定所述图像传感器中像素的行地址来在垂直方 向上选择像素的多个行选择信号；以及列选择器，用于响应于所述像素选择信号而在水平方向上指定像素，且选 择处于沿着由所述行选择信号中之一指定的行地址的交叉点处的一个像素以接 收并传送模拟信号。
17. 根据权利要求16所述的光学指向系统，其特征在于，所述列选择器包含多个开关，用于响应于所述像素选择信号而切换，从所述图像传感器接收 所述选定像素的所述模拟信号，且传送所述模拟信号。
18. 根据权利要求17所述的光学指向系统，其特征在于，所述图像传感器 的每一像素包含光电池，用于响应于所述复位信号而执行初始化操作，当响应于所述像素 选择信号而选择一个或一个以上像素时获得所述物体的所述图像，且产生具有 与所述接收光的量成比例的电压的模拟信号。
19. 根据权利要求18所述的光学指向系统，其特征在于，所述第一比较器 接收所述选定像素的电压信号，响应于所述快门控制信号而比较电压，当所述 选定像素中的一者具有高于所述选定像素中的另一者的输出信号电压时产生并 输出具有高电平的所述第 一比较数字信号，且当所述选定像素中的一者具有低 于所述选定像素中的另 一者的输出信号电压时产生并输出具有低电平的所述第 一比较数字信号。
20. 根据权利要求19所述的光学指向系统，其特征在于，所述图像处理器 产生并输出初始化所述像素的所述复位信号和选择所述一个或一个以上像素的 所述像素选择信号，接收所述第一比较数字信号以使用所述第一比较数字信号 来获得所述物体的所述图像，且将所述物体的所述图^f象与所述物体的先前获得 的图像进行比较以计算并输出所述光学指向系统的所述移动值。
21. 根据权利要求20所述的光学指向系统，其特征在于，所述第二比较器 接收所述选定像素的所述电压信号中的一者和所述最大参考电压，比较电压， 当所述电压信号的电压高于所述最大参考电压时产生并输出具有高电平的所述 第二比较数字信号，且当所述电压信号的所述电压低于所述最大参考电压时产 生并输出具有低电平的所述第二比较数字信号。
22. 根据权利要求21所述的光学指向系统，其特征在于，所述第二比较器接收所述选定像素的所述电压信号中的一者和所述最小参考电压，比较各电压， 当所述电压信号的电压高于所述最小参考电压时产生并输出具有高电平的所述 第三比较数字信号，且当所述电压信号的所述电压低于所述最小参考电压时产 生并输出具有低电平的所述第三比较数字信号。
23. 根据权利要求22所述的光学指向系统，其特征在于，所述快门控制电 路当所述高电平第二比较数字信号的数目是所述最大计数值或更大时输出减少 快门打开时间的所述快门控制信号，当所述高电平第二比较数字信号的数目小 于所述最大计数值时将所述高电平第三比较数字信号的数目与所述最小计数值 进行比较，当所述高电平第三比较数字信号的数目是所述最小计数值或更小时 输出增加所述快门打开时间的所述快门控制信号，且当所述高电平第三比较数 字信号的数目大于所述最小计数值时输出维持所述快门打开时间的所述快门控 制信号。
24. 根据权利要求20所述的光学指向系统，其进一步包括多个用于快门控制的像素，用于响应于所述复位信号而执行所述初始化操 作，且当响应于所述像素选择信号而选择所述一个或一个以上像素时产生并输 出具有与所述接收光的量成比例的电压的多个用于快门控制的模拟信号；以及用于快门控制的信号选择器，用于接收所述用于快门控制的模拟信号，且 响应于来自所述快门控制电路的用于快门控制的模拟信号选择信号而选择并输 出所述用于快门控制的模拟信号中的至少一者。
25. 根据权利要求24所述的光学指向系统，其特征在于，所述第二比较器接收所述模拟信号中的所述一者和所述用于快门控制的模拟信号中的至少一 者，比较各电压，且产生并输出第四比较数字信号。
26. 根据权利要求25所述的光学指向系统，其特征在于，所述第二比较器 当所述选定像素的所述电压信号中的一者具有高于所述用于快门控制的模拟信 号的电压时产生并输出具有高电平的所述第四比较数字信号，且当所述选定像 素的所述电压信号中的一者具有低于所述用于快门控制的模拟信号的电压时产 生并输出具有低电平的所述第四比较数字信号。
27. 根据权利要求26所述的光学指向系统，其特征在于，所述快门控制电路当高电平第四比较数字信号的数目是所述最大计数值或更大时输出减少所述 快门打开时间的所述快门控制信号，当所述高电平第四比较数字信号的数目小 于所述最大计数值时将所述高电平第四比较数字信号的数目与所述最小计数值 进行比较，当所述高电平第四比较数字信号的数目是所述最小计数值或更小时 输出增加所述快门打开时间的所述快门控制信号，当所述高电平第四比较数字 信号的数目大于所述最小计数值时输出维持所述快门打开时间的所述快门控制 信号，且接收所述用于快门控制的模拟信号以输出选择所述用于快门控制的模拟信号中的所述至少 一者的所述用于快门控制的模拟信号选择信号。
28. 根据权利要求27所述的光学指向系统，其特征在于，所述用于快门控 制的像素位于所述像素的外部的一部分处，包围所述像素的外部或位于所述像 素的内部的一部分处。
29. 根据权利要求28所述的光学指向系统，其进一步包括 拾取状态检测器，其与所述用于快门控制的信号选择器并联连接，接收所述用于快门控制的模拟信号，比较各输出，确定所述光学指向系统是否被拾取，且 使保持请求信号输出；以及表面状态检测器，其与所述用于快门控制的信号选择器并联连接，接收所 述用于快门控制的模拟信号，比较所述各输出，且向外部主机计算机输出指示 工作台表面状态的表面信息信号。
全文摘要
本发明提供一种图像传感器和使用其的光学指向系统。图像传感器具有多个像素，每一像素包含光电池，用于接收光并产生具有对应于接收光的量的电压的模拟信号；比较器，用于响应于快门控制信号而将光电池的模拟信号与相邻像素的模拟信号进行比较以产生用于移动计算的数字信号，或将光电池的模拟信号与参考电压进行比较以产生用于快门控制的数字信号；以及开关，用于响应于像素选择信号而传送用于移动计算的数字信号和用于快门控制的数字信号。光学指向系统包含参考电压产生单元，用于产生参考电压；图像传感器；信号选择器；以及移动计算与快门控制单元。
文档编号H04N3/15GK101500096SQ20091000528
公开日2009年8月5日 申请日期2009年1月23日 优先权日2008年1月31日
发明者郑德暎, 郭锺择 申请人:艾勒博科技股份有限公司