矩阵传感器的制作方法

专利名称：矩阵传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及矩阵光学传感器。本发明应用于例如使用此类传感器以在传感器上的检测平面的图像中检测物体， 例如为确定触摸屏前的指针的位置。本发明还可以应用于视频监控或遥测技术。
背景技术：
现有的C⑶矩阵光学传感器相对昂贵，且在像素上形成的图像要按顺序逐块读取。由于必须存储所有的像素，因此处理该图像会相对复杂。还有被称为快照传感器的CMOS矩阵传感器，CMOS矩阵传感器中每一像素与模拟存储器相关联。像素相当大且存储器在强光照下可能遭受信息的高泄露。而且，已经提出用于生产触摸屏的大量技术方案，该触摸屏包括屏幕和用于在与该屏幕相关联的检测平面的图像中定位指针的系统，例如该指针刚好放置在该屏幕的前面。依赖使用光学部件的定位系统特别适合于相对大的屏幕。相对于屏幕安置光源和传感器，使得指针拦截由这些光源发出的光或者由安置在屏幕周边的反射表面反射的光， 且在传感器上形成图像。对采用此方法形成的图像进行分析，使得可能通过三角测量确定物体的位置。图15示出了专利申请US 2007/0089915中公开的触摸屏的示例。为确定检测平面103中指针D的位置，两个矩阵传感器101和102分别安置在屏幕的拐角处。检测平面 103中的指针D的笛卡尔坐标X和Y可以由对应于指针D在检测平面103中的遮蔽效果的角α和角β确定。配有线性传感器的触摸屏也是已知的。不同于使用矩阵传感器的触摸屏，线性传感器必须非常精确地相对于检测平面安置。此结构的一个缺点是这些传感器对制造或使用过程中遇到的间隙或机械变形具有敏感性，以至于指针的图像可能形成于传感器的外部。为减轻该问题，使用的线性传感器具有矩形像素，矩形像素的长边垂直于检测平面。使用矩形像素的缺陷是由于光电二极管寄生电容较高而使像素的灵敏度降低。此外， 这样的像素收集更多的杂散光。在已知的检测系统中使用矩阵传感器会导致数据处理比使用线性传感器多，这使触摸屏更加昂贵。最后，已知包含开窗口功能的矩阵传感器。传感器接收窗口地址作为输入，窗口地址例如为上角的地址，且将该窗口中的像素值传送为输出。当发生错误对准时，此窗口可能仍保持相当大且因此大大增加待处理的像素的数量。此外，由于对行和列来说，读取矩阵传感器的速度不同，则在竖直方向中增大读窗口明显地增长了读取图像花费的时间。专利申请US 2004/0155175公开了一种与读取装置相关联的矩阵传感器，该读取装置设置成读取在传感器像素矩阵上形成的图像。该读取装置顺序地读取像素矩阵的列。这样的传感器不允许并行处理像素的列，且采用此种传感器读取图像可能耗费相当长的时间。需要一种新型矩阵传感器，该新型矩阵传感器能够使对来自用于一些应用的像素矩阵的数据的处理简化，所述的一些应用诸如为触摸屏、视频监控和遥测技术。还需要进一步改善现存的传感器，以具有精确快速同时制造成本相对低的传感
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发明内容
本发明的一个方面提供一种矩阵光学传感器，所述矩阵光学传感器包括像素矩阵，每一个像素由行地址和列地址标识；及可编程电子电路，所述可编程电子电路包括多个用于读取所述像素的可编程读取单元；每一个可编程读取单元与像素的至少一个列地址关联，且设置成在编程所述传感器的步骤期间能够存储至少一个行地址；接收行地址；以及对于一些接收到的行地址值，比较接收到的行地址和被编程的行地址，且如果它们相等则能够读取对应的像素的值。更具体地，本发明提供一种矩阵光学传感器，该矩阵光学传感器包括多个可编程读取单元，所述可编程读取单元用于读取像素，每一个可编程读取单元连接到至少一列像素，且每一个可编程读取单元设置成在编程所述传感器的步骤期间能够存储至少一个行地址；接收行地址；对于一些接收到的行地址值，比较接收到的行地址和被编程的行地址，且如果它们相等则能够读取对应的像素的值。例如，至少一个行地址用于不同于读取像素的值的功能，且接收此行地址作为读地址的可编程读取单元例如设置成能够执行所述功能，这使得能够降低传感器控制信号的数量。本文中使用的措辞“能够读取”表示可编程读取单元能够将像素的值传送给传感器的外部，或传送给传感器的另一部件，目的是例如在传感器内存储像素的值和/或处理像素的值，例如对像素的值进行微分处理。可以通过先对行定址且接着对列定址来实现读取。本文中使用的措辞“对应的像素的值”表示例如由传感器直接获取的像素的值或滤波后的值。本发明的传感器通过使用可以并行工作的可编程读取单元使得能够对像素的选择进行编程，且能够仅读取编程的像素的值。例如，对于包含256行且每一行有1600个像素的检测平面的图像，本发明能够避免读取图像的256行的每一个像素，且因此加速处理。本文中使用的措辞“像素的行”指的是在像素矩阵的包含较多数量像素的维度的方向的一行像素。本文中使用的措辞“像素的列”指的是在像素矩阵的包含较少数量像素的维度的方向的一行像素。例如，对于具有256X1600个像素的传感器，该传感器认为具有每一行有1600个像素的256行和每一列有256个像素的1600列。至少一个可编程读取单元，尤其是每一个可编程读取单元，可以只与一个像素列地址关联。也就是说，可编程读取单元可以只连接到一列像素。如下文中所出现的，传感器可以集成到用于定位指针的系统中，该系统通过检测射向传感器的光线由指针拦截来定位形成在传感器上的检测平面的图像中的指针。此图像可以限定相对于传感器的行呈很小倾斜角度的直线段。此图像读取可以只具有一个维度，即此图像可以每列只读取一个像素。此读取方法可以在并行时有效，即由所有读取单元同时地读取。至少一个可编程单元，尤其是每一个可编程单元，可以与多个像素列地址关联，例如连续的列地址，或者，换句话说，可以连接到多个像素的列，例如两个连续的像素的列。这样可以使进一步处理简化，且还可以简化传感器的结构。因此，在一个实施方式中，可以具有和像素的列一样多的读取单元。在另一实施方式中，读取单元可以少于像素的列，例如读取单元比像素的列少2-10倍，读取单元的数量大于1。像素矩阵的行的数量例如等于2n，且每一个可编程读取单元可以与η个连续的像素列地址关联。因此，例如对于256行像素，8个连续的列地址可以与同一可编程读取单元关联。本发明还可以降低传感器的读取时钟频率，以在功耗和寄生电磁辐射方面获益。 本发明的传感器在约3. 3V的供电电压下的功耗例如少于100毫瓦(mW)。本发明的矩阵传感器还可以例如以小型电子集成电路芯片的形式生产。每一个可编程读取单元，例如包括至少一个存储寄存器，该存储寄存器存储编程到可编程读取单元中的行地址；比较器，该比较器在第一输入接收读地址；及在第二输入接收编程到所述存储寄存器内的所述行地址；和至少一个缓冲存储器。比较器可以设置成比较第一输入和第二输入的地址，且如果它们相等，则将像素的值存储到缓冲存储器中，该像素的行地址在可编程读取单元内编程。当可编程读取单元与多个像素列地址关联时，或者换句话说，连接到多个像素的列时，可编程读取单元可以包括单个存储寄存器、用于所有的所述像素列地址的单个比较器和用于每一个像素列地址的缓冲存储器。在第一实施方式中，可编程读取单元包括仅一个存储寄存器、仅一个比较器和至少一个缓冲存储器。如果可编程读取单元包括与相同的列地址关联的多个缓冲存储器，或换句话说， 包括连接到相同列的多个缓冲存储器，则该多个缓冲存储器能够连续存储由相同的行地址和列地址标识的像素的值。这样能够在传感器上连续形成的两个图像之间进行差分处理， 例如用于消除环境光线的作用。传感器可以包括差分放大器，该差分放大器用于传送与两个连续时间的像素的差值对应的值，该两个连续时间例如对应于打开和关闭用以在传感器的形检测平面上形成图像的光源。在第二实施方式中，可编程读取单元包括多个存储寄存器、单个比较器和一个或多个缓冲存储器。在编程步骤期间，用户可以将不同的行地址编程到每一个存储寄存器中， 使得能够在可编程读取单元的一个或多个缓冲存储器中读取相同列像素的不同像素的值。每一个可编程读取单元例如包括两个存储寄存器，该两个存储寄存器使得能够读取例如在传感器上形成的的图像上限定闭环或开环模式的像素。可编程单元还可以包括多个存储寄存器，例如四个寄存器，以便读取在传感器上形成的更复杂形状的图像的像素，该更复杂形状例如限定肾形的模式。该传感器包括光检测器的矩阵，一个像素例如与一个光检测器关联。可选择地，一个像素可以与多个光检测器关联。这些光检测器可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS) 技术生产。矩阵传感器可以设置成对光检测器的矩阵的一列进行至少一种二项式滤波操作， 该二项式滤波操作可以能够使由光检测器获取的电荷在滤波方向中的分布平滑。二项式滤波可以补偿矩阵传感器的操作期间发生的干扰，该干扰例如由与传感器连接的屏幕上施加的机械应力引起，或由环境温度引起。二项式滤波可以以两种不同的结构实现。第一结构根据滤波的矩阵的至少一列将该列中分别具有坐标业和业+1的两个光检测器连接，例如行地址为业和2k+l，k是自然数。在第二结构中，通过以下实现二项式滤波根据滤波的矩阵的至少一列，将该列中分别具有坐标业+1和业+2的两个光检测器连接，例如行地址为业+1和业+2，k是自然数。可以采用第一滤波结构且接着采用第二滤波结构实现二项式滤波，反过来也一样。可选择地，可能仅使用第一结构或仅使用第二结构。另一选择方式是根据所需要的电荷的分布平滑度来采用上述两种交替结构进行多次二项式滤波操作。根据需要的平滑度，可以对光检测器的矩阵进行多次滤波操作。矩阵传感器例如包括多个开关，每一个开关将光电探测器矩阵的两个相邻的光电探测器连接，尤其是同一列的两个相邻的光电探测器。这些二项式滤波操作可以由两个信号激活。可选择地，用于不不同于读取像素值的功能的至少一个行地址用于设置如上所述的二项式滤波，且由可编程读取单元接收所述地址作为读地址使得能够根据上述的滤波结构之一闭合开关。一个像素行地址例如用于每一个二项式滤波结构。本发明的另一方面是提供一种定位系统，该定位系统用于在检测平面的图像中定位指针，该定位系统包括至少一个如上述限定的矩阵传感器。该传感器例如设置成获取检测平面的图像且具有存储在可编程读取单元内的行地址的像素是在其上形成检测平面的图像的像素。因为指针根据其位置来阻挡光到达不同像素，则对读取像素进行分析能够检测到检测平面中指针的位置。定位系统例如集成到屏幕内以形成触摸屏且在传感器上形成的检测平面的图像例如是在所述屏幕周围分布的一个或多个光源的图像或通过位于屏幕边缘的反射镜的光源的反射的图像。例如，可以使用大量的发光二极管(多个LED)以提供均勻且连续的发光表面。在屏幕的邻近处存在的指针遮蔽此发光表面，在一些像素上形成指针的图像。集成有定位系统的屏幕优选地包括一个或多个LED，所述LED位于传感器的光轴附近且照射到屏幕的边缘，所述屏幕的边缘设置有反折射的反射镜。来自LED的光以给定的发光效率反射向每一个传感器。在屏幕的邻近处存在的指针使此效率的大大减小且遮蔽该传感器。可编程读取单元能够仅读取传感器的易于根据检测平面的图像中的指针的位置而变化的像素的值，而非传感器的全部的像素的值，因此降低了处理时间以及对随机存取存储器的需求。不是所有的传感器的像素的值需要保存。这降低了定位系统的成本。有利地，定位系统包括本发明的两个矩阵传感器，且可以通过三角计算实现定位。可编程读取单元可以仅接收在其上形成检测平面的图像的像素的行地址作为输入，即作为读地址，这使得能够避免处理传感器的在其上没有机会形成用于定位指针的指针图像的像素的行。本发明的另一方面提供一种触摸屏，所述触摸屏包括屏幕；和如上定义的定位系统。本发明的再一方面提供一种在像素矩阵中读取选择的像素的方法，其中每一个像素由行地址和列地址标识，且在可编程读取单元中编程选择的行地址，每一个可编程读取单元与至少一列像素关联，或换句话说连接到至少一列像素，在此方法中至少一个读地址作为输入提供给可编程读取单元；对于一些读地址值，将以此方式接收为输入的所述行地址和每一个可编程读取单元中编程的至少一个行地址比较，且如果它们相等，则将具有编程的行地址的像素的值存储在缓冲存储器中。至少一个行地址例如用于不同于读取像素值的功能，且接收此行地址作为读地址的可编程读取单元例如设置成能够执行所述功能。例如在传感器校准阶段期间，可针对每一个可编程读取单元编程单个行地址。可选择地，针对每一个可编程读取单元编程多个行地址，且作为输入接收的读地址与可编程读取单元中的这些编程的地址进行比较，以确定读地址是否等于编程的地址中的一个。可编程读取单元可以包括与编程的行地址一样多的缓冲存储器。可编程读取单元可以被即时重新编程。当与编程到可编程读取单元的存储寄存器中的行地址对应的像素的值已经存储到此可编程读取单元的缓冲存储器中时，用户可以将新的行地址编程到存储寄存器中，随后由此新的行地址标识的像素的值在先前的数据被读取和删除后存储到该可编程读取单元的同一缓冲存储器中或者存储到该可编程读取单元的另一缓冲存储器中。这可以使得能够读取与可编程读取单元相关联的相同列的多个像素的值。像素矩阵与光电探测器矩阵关联，且所述方法在提供读地址给可编程读取单元的步骤之前可以包括如上定义的光检测器二项式滤波步骤。
例如至少一个行地址用于设置二项式滤波，且在二项式滤波步骤期间，所述行地址作为读地址发送给例如至少一个可编程读取单元。本发明的又一方面提供一种在检测平面的图像中定位指针的方法，其中通过光检测器的矩阵能够获取检测平面的图像，在检测平面的图像中的图像的每一个像素由行地址和列地址标识；且通过上述方法能够读取检测平面的图像中选择的像素。所述方法可以包括如下步骤当光检测器的矩阵的观察区域由人造光源照射时，获取检测平面的至少部分第一图像，尤其是获取整个检测平面的第一图像；在光检测器的矩阵的观察区域没有由人造光源照射时，获取检测平面的所述部分的第二图像；及差分读取第一图像和第二图像。此差分读取能够降低由环境光引起的噪声。以示例方式，为了获取第一图像和第二图像，利用重复过程，在打开人造光源和关闭人造光源的基本周期的每一重复中，仅获取检测平面的图像的部分。例如在每一重复中， 仅需要获取检测平面的图像的一行像素。重复获取方法使得与待获取的行关联的光检测器仅在较短时间内暴露在来自人造光源的光下，如果人造光源的亮度高，这证明是可取的，且这能够防止光检测器饱和。可选择地，在每一重复中，获取检测平面的图像的多行像素。另一可选择方式是，对第一和第二图像，且在打开和关闭人造光源的单个基本周期中获取检测平面的整个图像，这可以降低人造光源的开/关比且获得更高能量的光脉冲。人造光源例如包括至少一个发光二极管。结合上述特征，本发明的另一方面提供一种矩阵光学传感器，该矩阵光学传感器包括像素的二维矩阵，该像素的二维矩阵先由行地址读取接着由列地址读
多个读取单元，每一个读取单元连接到至少一列像素，且每一个读取单元选择性地存储针对传感器的一个或多个给定的行地址的读取结果，该传感器被设置成在扫描像素矩阵的全部或部分行后，能够获得与像素矩阵的像素的给定行对应的一维图像。


在阅读本发明的非限制性实施方式的下列描述及观察附图后，可更好地理解本发明，其中图1概略地示出了本发明的矩阵传感器的示例；图2概略地示出了本发明的多个可编程读取单元；图3a示出了存在指针时形成在矩阵传感器的部分上的检测平面的图像的示例；图北到3d示出了由定位系统在检测平面的图像中定位指针的过程的不同步骤；图4概略地示出了在检测平面的图像中定位指针的方法的不同步骤；图5示出了本发明的矩阵传感器的示例的元件；
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图6a到6e示出了二项式滤波的示例的步骤；图7示出了差分读取的示例；图8示出了对可编程读取单元编程的方法的示例；图9是示出读取缓冲存储器的示例的时序图；图IOa是示出根据本发明的差分读取的第一示例的时序图；图IOb是示出根据本发明的差分读取的第二示例的时序图；图11是将本发明的定位系统集成到装置的示例；图12概略地示出图5所示的矩阵传感器的变型；图13和图14示出本发明的可编程读取单元的其它示例；及图15示出在现有技术的触摸屏上检测指状物的位置的示例。
具体实施例方式矩阵传感器图1非常概略地示出了本发明的矩阵传感器1的示例。此传感器1可以集成到定位系统100内，且示出的示例中，传感器1包括图像获取装置2、可编程电子电路3和解码器5，可编程电子电路3包括多个可编程读取单元；^.。例如，本发明的矩阵传感器1集成到小型集成电路内，例如，尺寸小于25平方毫米 (mm2)的一个集成电路。例如传感器2的分辨率是每行1600个像素的256行，且每一个像素的尺寸例如是 5微米(ym)，但本发明不局限于任一具体的分辨率和像素尺寸。所述像素例如为不具有存储器的像素，称为有源像素。传感器1与数字处理单元4交换数据，数字处理单元4包括例如微处理器和随机存取存储器。例如使用传统的逻辑门生产解码器5，解码器5设置成例如将自然二进制码转换成其中只有一个具有值“1”的二进制信号的矢量。此二进制“1”使得可能选择待读取的像素的行。如图2所示，解码器5通过总线11自处理单元4接收行的地址以进行读取。在图2的示例中，可编程读取单元与单个的像素列地址关联。在此图所示出的示例中，每一个可编程读取单元；^.包括可编程存储寄存器7」、与存储寄存器7]连接的比较器8”缓冲存储器％和电子开关10」。可看出，每一个比较器Sj可以具有两个输入连接到总线11的第一输入和连接到可编程读取单元；^的存储寄存器7]的第二输入。这里所描述的示例中，每一个存储寄存器、、每一个比较器I和每一个缓冲存储器9」与像素的单个列关联。图13和图14示出可编程读取单元3」的其它示例。在图13的示例中，可编程读取单元；^.包括两个存储寄存器、和7/、比较器8」、 缓冲存储器9」及电子电路10」。本发明不局限于在每一个可编程读取单元1中有特定数量的存储寄存器每一个可编程读取单元；^可包括多于两个的存储寄存器7」。如图14所示，每一个可编程读取单元!Bj还可以包括存储寄存器7」、比较器Sj、两个缓冲存储器9 和Qbj及电子开关10」。本发明不局限于在每一个可编程读取单元中有特定数量的缓冲存储器％。每一个可编程读取单元还可以包括多于两个的缓冲存储器9」。在未示出的另一变型中，每一个可编程读取单元包括比较器、多个存储寄存器和多个缓冲存储器。图5示出了本发明的图像获取装置的示例。此图像获取装置2例如包括检测元件的矩阵，在这里描述的示例中，检测元件是光检测器20 。传感器1还包括多个开关21和多个开关22，开关21例如为场效应晶体管21，开关21将矩阵传感器的列中的两个相邻的光检测器连接，开关22用于读取由光检测器20 获取的电荷。如图11所示，传感器1例如包括多个输入60,61到6x和70。输入60例如连接到电源，输入61到6x例如连接到集成有传感器1的装置的处理器，且输入70例如接地。可从图11中看出，输入60和输入70可以通过去耦电容器连接。系统1例如包括两个输出72和73，两个输出72和73分别连接到晶体管74和75。应用于在触撙屏前定位指针下面结合图3a到3d和图4描述应用本发明以利用定位系统100在触摸屏的检测平面的图像中定位指针的一个示例，定位系统100包括传感器1，传感器1包括如图2所示的可编程读取单元1。在图3a中，仅示出了传感器的像素矩阵中的6行及19列。在此示例中，列是自左向右计数，且行是自下向上计数。暗像素对应于存在拦截光源的指针。对于地址为j到j+2的列而言，能够使指针位于检测平面的图像中的像素全部位于地址为i+2的行上且在示出的示例中分别指定为6i+2,
j、6i+2，j+l 禾口 6i+2，j+2。在图3a中可以看出，能够在检测平面的图像中定位指针的所有像素的值可以填
满一个一维数组。在定位指针之前编稈读取单元在图4示出的初始化步骤40期间，数字处理单元4将先前存储在每一个可编程读取单元；^的存储寄存器7]中的信息删除。在步骤41期间，数字处理单元4进行扫描检测平面的图像的每一行且在步骤42 中为每一列像素确定与检测平面的图像对应的像素的行地址。在步骤43中，将每一列像素的行地址编程到存储寄存器7m到7j+19的每一个中， 使得有可能在检测平面的图像中定位指针。在示出的示例中，行地址“i+2”存储在寄存器
7j+l、7j+2 和 7j+3 中。图8示出在步骤43中将行地址编程到存储寄存器7j的一个示例。数字处理单元4通过总线(未示出)将与列地址为j的该列像素的待编程的行地址对应的信号ADR[7:0]发送到与此列像素关联的存储寄存器7」。对于包括256行的图像，行地址按8比特编码，且存储寄存器7」按顺序逐比特地存储此行地址。存储寄存器连续接收编码的地址的比特，每一比特在时钟信号CLK的上升沿存储在存储寄存器中，如图8所示。例如，在存储寄存器7」中的存储以超过12兆赫(MHz) 的速率实现。m^mmm睡φ靴滞当能够在检测平面的图像中定位指针的每一个像素6ik的行地址已经被编程到存储寄存器7」到7j+18中时，在步骤44中，数字处理单元4通过总线11将用于读取图像的像素的地址发送给解码器5和每一个可编程读取单元到；^+18，此读地址对应于行地址。在这里描述的示例中，在此步骤44中发送的第一读地址对应于与形成有检测平面的图像的一个或多个像素相关的最低行地址。每一个比较器Sj比较通过第一输入接收的此读地址和在步骤43中编程到与其相关联的存储寄存器7」中的行地址，该行地址通过第二输入端接收。如果所比较的两个值相同，比较器Sj作用于开关IOj使得能够将对应像素的值存储到缓冲存储器％中。在图北的示例中，当读地址“i+1”被可编程读取单元!Bj到!3j+18接收到时，且因此被比较器Sj到8j+18接收到时，每一个比较器Sj将此值与编程到存储寄存器7」中的行地址进行比较。在所示的示例中，编号为j+15到j+18的列的比较器确定在第一输入和第二输入接收的值相同。接着，在步骤45中，像素6i+1,j+15、6i+1,j+16、6i+1,j+1dn6i+1,j+w&值存储在缓冲存储器 915 ill 918 Φ ο接着重复步骤44和45，数字处理单元4通过使行地址递增来通过总线11向解码器5和可编程读取单元；^到；^+18发送下一个读地址。在这里描述的示例中，读地址“i+2”被发送，并且同时比较器Sj到Sp2以及比较器 8J+10到8j+14具有相同的第一和第二输入值，对应像素的值存储在缓冲存储器9」到以及
9j+10 至丨J 9j+14 中。接着读地址“i+3”通过总线11被发送到解码器5和可编程读取单元到3>18，并且此过程以类似于上述的方式继续，这导致将像素6i+3, j+4到6i+3, j+9的值存储在缓冲存储器
9 j+4 至丨J 9 j+g 中 ο接着从缓冲存储器9」到9j+18构成的集合9中读出能够在检测平面的图像中定位指针的像素的值。本发明不局限于每一列像素使用一个可编程读取单元；^_。因此一个可编程读取单元；3」可能与多列连续的像素关联，尤其当能够在检测平面中定位指针的像素限定多个段时，每一段相对于矩阵传感器2的行具有低倾斜角或0度倾斜角。单个可编程读取单元!Bj 与检测平面的图像的多列连续像素的关联使得能够简化定位系统。仅一个行地址可以被编程到与这些列像素关联的可编程读取单元的存储寄存器中。在其它变型中，可编程读取单元如图13和图14所示。矩阵传感器的一维二项式滤波获取装置2内的开关22的设置使得能够进行光检测器的矩阵的一维二项式滤波， 例如沿着每一列滤波，称为竖直滤波。在图5的示例中，开关21连接矩阵的一列中的相邻光检测器20 ，使得能够应用竖直滤波。
本发明能够应用两种结构的二项式滤波，如参考图6a到6e进行的说明。光检测器编号为20lm到201(lm，且两个相邻的光检测器通过开关21km连接。开关 21lm、212m、213m.....219ffl 分别连接光检测器 20lm 和 202m JOail 和 203m.....209ffl 和 201(lm。图6a示出了获取图像之后的光检测器20 。可看到，出于示例目的，只有光检测器2(^存储了电荷，其值等于1。在图6b所示的第一滤波结构中，沿着滤波维度具有坐标业+1 (k为自然数)的开关212k+“闭合以连接沿着滤波维度(例如在一列内竖直)具有坐标业+1和业+2的光检测器 202k+1,m 和 202k+2,m。通过将由开关连接的每一个光检测器获得的电荷相加并将和除以2计算光检测器20 获得的电荷。在图6b中可以见到，此操作之后，光检测器205m和2(^都具有等于0. 5的电荷，不再像滤波前一样仅光检测器2(^携带电荷。取决于所需的电荷分布的平滑程度，图6c所示的第二滤波结构可以应用于矩阵的光检测器。在此第二滤波结构中，沿着滤波维度具有坐标^(k为自然数)的开关212k,m闭合以连接沿着滤波维度具有坐标业和业+1的光检测器202k+1,m。光检测器20 获得的电荷如同第一装置一样，通过将由开关连接的每一个光将检测器获得的电荷相加并将和除以2计算得到。在图6c可以看到，此操作之后，光检测器20-和207m的每一个具有的电荷等于单个光检测器2(^初始携带电荷的四分之一。如果需要，可以使用图6d所示的第一结构并接着使用图6e所示的第二结构再次实现二项式滤波，以使得电荷分布更平滑。通过示例，两个滤波结构分别通过地址φ 和φ2编码。在这里描述的示例中，φ1和是用于二项式滤波的像素的行的特定地址。对于具有256行的图像，例如采用16进制
码，φ 对应于地址00，φ2对应与地址FF。数字处理单元4将这些地址中的一个发送到图像获取装置2和可编程读取单元， 引起沿着滤波方向具有索引业的开关21n,2k或者具有索引业+1的开关21n,2k+1闭合，具体取决于滤波结构。差分读取本发明通过使用差分读取，可以同样消除环境光。图7以时序图的形式示出了根据本发明的差分读取的示例。.当光检测器的矩阵的观察区域被人造光源照射时，获取检测平面的一部分的第一图像；.当没有人造光源照射时，获取检测平面的同一部分的第二图像；及.通过例如使用差分放大器从第一图像中减去第二图像来消除与环境光相关的噪声。环境光即使很强烈，仍然是非常稳定的，因此，如果图像获取速度很高，则从第一图像中减去第二图像之后，环境光的影响将大大地减弱。
在图7所示的情形中，差分读取每次用于像素的一行，但可以不同地实现差分读取。。通过示例，数字处理单元4设置成向获取装置2及可编程电子电路3发送待处理的检测平面的图像的第一行像素的地址AD1。数字处理单元4能够使之前由光检测器20获取的任何电荷删除，此电荷删除操作在时序图中对应于激活信号RST。数字处理单元4接着可以通过人造光源照射获取装置2的观察区域。以示例方式， 该人造光源是发光二极管，其状态在图7的时序图中由信号LED示出。接着数字处理单元4使图像获取装置2获取已处理行的第一图像，且使可编程电子电路存储所获取的行的像素的值，例如，如图北到图3d中的一个图示所示，这在时序图中对应于将信号RDl激活。接着数字处理单元可以删除光检测器在前一步骤中获取的电荷，并关闭人造光源。接着数字处理单元4使图像获取装置获取已处理的行的第二图像，并使所获取的行的像素的值由可编程电子电路3存储，这在时序图中对应于将信号RD2激活。接着数字处理单元4发送以下一行待处理的像素为例的地址，并且重复上述的步
马聚ο图9以时序图的形式示出了差分读取本发明的矩阵传感器1的示例。在此示例中，每一个可编程读取单元!Bj与一列像素关联，并且如图14所示，每一个可编程读取单元；^包括存储寄存器7”比较器I和两个缓冲区存储器9 和9bjt)通过示例的方式，由每个可编程读取单元!Bj的缓冲存储器9 组成的集合9a包含采用上述方法、在处理通过由人造光源照射获取的第一图像期间存储的像素的值。通过示例的方式，由每个可编程读取单元!Bj的缓冲存储器％」组成的集合9b包含采用上述方法、在处理没有利用人造光源照射获取的第二图像期间存储的像素的值。在这里描述的示例中，本发明通过移位寄存器15采用顺序读取存储器集合9a和 9b的内容，内容的状态通过图9的信号HD示出。将此信号HD设为0删除之前由移位寄存器获取的信息。移位寄存器在接收到时钟信号HCLK时进行读取缓冲存储器9 或％」的内容。图9的时序图还示出了对应于与第一图像关联的存储器集合9a的读取的信号 OUTP,以及对应于与第二图像关联的存储器集合9b的读取的信号0UTN。在存储器集合9a和9b中读取的信息接着进行相减操作，例如使用连接到存储器集合9a和9b的读取总线的差分放大器。根据本发明，可以通过以下实现差分读取在打开和关闭人造光源的周期期间仅获取第一和第二图像的一行像素，并针对待获取的每一行像素重复进行。图IOa示出了对应于一个这样的差分读取示例的时序图。在相关的示例中，数字处理单元4首先删除之前由获取装置2的光检测器20获取的电荷，并且激活人造光源，在图IOa的时序图中这分别对应于激活信号RST和LED。接着数字处理单元4向获取装置2和可编程电子电路3发送与两个竖直二项式滤
波结构相关的地址φ 和φ2。
接着数字处理单元4向获取装置2和可编程电子电路3发送待处理的行像素的地址ADl，然后激活信号RDl。激活信号RDl连续引起以下.获取装置2获取第一图像的地址为ADl的行；.根据之前接收的地址φ 和φ2,对获取装置的光检测器存储的电荷进行两个结构的竖直二项式滤波；及.由可编程电子电路3读取此行像素的值，使得能够在检测平面的图像中定位指针。如上所述，这些像素的值存储在缓冲存储器9 中。接着，数字处理单元4删除先前由光检测器获取的电荷，并关闭人造光源，在图 IOa的时序图中这分别对应激活信号RST和去激活信号LED。接着数字处理单元向传感器1和可编程电子电路3发送与两个竖直二项式滤波结构相关的地址φ 和φ2,且接着激活信号RD2。激活信号RD2连续引起.获取装置2获取第二图像的地址为ADl的行；.根据之前接收的地址ΦΙ和φ2,对获取装置的光检测器存储的电荷进行两个结构的竖直二项式滤波；及.可编程电子电路3读取此行像素的值，使得能够在检测平面的图像中定位指针。 如上所述，这些像素的值存储在缓冲存储器％」中。当地址为ADl的行的像素的两幅图像已经被获取时，数字处理单元重复处理地址为AD2、AD3等的行的像素。本发明不局限于处理第一和第二图像之前进行两个结构的二项式滤波，也可以只进行两个结构中的一个结构的二项式滤波。进一步可选的是在获取第一和第二图像之前不进行二项式滤波。在图IOa所示的示例中，打开和关闭人造光源的周期与仅获取一行像素的第一图像和第二图像对应。图IOb示出了根据本发明的差分滤波的另一示例。在此示例中，打开和关闭人造光源的单个周期使得能够获取所有的像素行。如图IOb所示，首先，通过发送每一行的地址及激活每一行的信号RST删除先前由每一个光检测器获取的电荷。接着数字处理单元4打开人造光源，并且接着关闭它。一旦光源被关闭，地址φ 和 φ2以类似于参考图IOa所描述的方式被发送。然后发送地址AD1，这将引起读取地址为ADl的行的像素，使得能够在检测平面的图像中定位指针(如参考图3a到3d所描述的)，在这之后，信号RST被激活，引起删除获取的电荷。接着相继发送其它行的地址，并且对每一个发送的行地址重复进行上述步骤。在打开和关闭人造光源的单个周期之后以此方式获取第一图像。接着再次发送地址φ 和φ2,作为行地址，这使得能够获取第二图像。
15
定位系统的其它实施方式本发明不局限于以上描述的示例。例如，如图12的示例中，本发明的不同特征可以组合。在此示例中，每一个可编程读取单元!Bj与多个连续的列地址关联，在这里描述示例中是8个地址。每一个可编程读取单元；^.包括存储寄存器7”比较器I及8对缓冲存储器9 到 9aJ+7 和 9bj 到 9bJ+7。列地址从j到j+7的8列像素的共同的行地址被编程到存储寄存器7]中。由数字处理单元4通过总线11发送的读地址由每一个可编程读取单元3」在其输入端接收，并将该地址转发到比较器Sj,接着验证接收到的地址是否和编程到存储寄存器 7j中的地址相等，存储寄存器7]与列地址范围为j到j+7的8列关联。可看到，图12所示的装置包括与每一列关联的两个缓冲存储器9 和9bj;缓冲存储器9 和Qbj分别与检测平面的第一图像和第二图像相关。除非有特别说明，本文使用的措辞“包括”应该被理解为与措辞“包括至少一个”一致。
权利要求
1.一种矩阵光学传感器(1)，所述矩阵光学传感器包括像素(6U)的矩阵，每一个像素(6U)由行地址和列地址标识；及用于读取所述像素(6U)的多个可编程读取单元(3p，每一个可编程读取单元连接到至少一列像素，并且每一个可编程读取单元被设置成在编程所述传感器(1)的步骤期间能够存储至少一个行地址； 接收行地址；及对于一些接收到的行地址值，比较所述接收到的行地址和编程的行地址，且如果它们相等则使得能够读取对应的像素(6U)的值。
2.如权利要求1所述的传感器，至少一个行地址用于不同于读取像素的值的功能，且接收此行地址作为读地址的所述可编程读取单元(3p设置成能够执行所述功能。
3.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中至少一个可编程读取单元(3p，尤其是每一个可编程读取单元(3J，仅连接到一个像素列地址。
4.如权利要求1或权利要求2所述的传感器，其中至少一个可编程读取单元(3p，尤其是每一个可编程读取单元(3J，连接到多个像素列地址，尤其是连接到多个连续的列地址， 尤其是连接到8个连续的列地址。
5.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中每一个可编程读取单元(3p包括 至少一个存储寄存器(7P，所述存储寄存器(7p存储编程到可编程读取单元(3p中的所述行地址；比较器(Sj)，所述比较器(S》 在第一输入接收所述读地址；及在第二输入接收被编程到一个或多个存储寄存器(7P中的所述行地址；及至少一个缓冲存储器(9」)。
6.如前一权利要求中所述的传感器，其中，所述比较器(8p设置成比较所述第一输入和第二输入的地址，且，如果它们相等，则能够将在可编程读取单元(3」)中行地址被编程的一个或多个所述像素(6U)的值存储在一个或多个所述缓冲存储器(9J中。
7.如前述权利要求中任一项所述的传感器，所述传感器包括多个光检测器(20J和多个开关(21)，每一个所述开关连接到两个相邻的光检测器(20 )。
8.—种定位系统(100)，所述定位系统(100)用于在检测平面的图像中定位指针，所述定位系统(100)包括至少两个如前述权利要求中任一项所述的传感器。
9.一种触摸屏，所述触摸屏包括屏幕和如前一权利要求所述的定位系统(100)。
10.一种在像素矩阵内读取选择的像素(6U)的方法，尤其是在如前述权利要求1到7 中任一项所述的光学传感器内读取选择的像素(6U)的方法，其中每一个像素(6U)由行地址和列地址标识，且所述被选择的像素的行地址被编程到可编程读取单元(3」)中，每一个所述可编程读取单元(3J连接到至少一列像素，在所述方法中至少一个行地址被作为输入提供给所述可编程读取单元(3」)； 对于一些接收的作为输入的行地址值，以此方式接收的作为输入的所述行地址和编程到每一个可编程读取单元(3」)中的至少一个行地址进行比较，并且，如果它们相等，则将具有编程的行地址的像素的值存储在缓冲存储器(9」)中。
11.如前一权利要求所述的方法，其中所述像素矩阵与光检测器(20J的矩阵关联，且在提供读地址给所述可编程读取单元(3P的步骤之前，在所述光检测器的矩阵的一个方向上对所述光检测器的矩阵进行二项式滤波。
12.如前一权利要求所述的方法，其中所述二项式滤波可以以两种不同的结构进行，在滤波方向中分别具有坐标业和业+1 的所述矩阵传感器的两个光检测器(20J连接在第一结构中，，在滤波方向中分别具有坐标业+1和业+2的所述矩阵传感器的两个光检测器(20J连接在第二滤波结构中，其中k 为自然数；及进行至少一个滤波结构的滤波。
13.—种在检测平面的图像中定位指针的方法，其中使能够通过光检测器的矩阵获取所述检测平面的所述图像，所述图像的每一个像素在所述检测平面的所述图像中由行地址和列地址来标识；并且使能够通过权利要求10到12中任一项所述的方法读取所述检测平面的所述图像中选择的像素。
14.如前一权利要求所述的方法，其中当光检测器的矩阵的观察区域由人造光源照射时，获取所述检测平面的至少一部分的第一图像；及获取所述检测平面的至少一部分的第二图像，所述第二图像仅由于没有所述人造光源照射所述光检测器的矩阵的观察区域而不同于第一图像，并且所述第一图像和第二图像被差分读取。
15.如前一权利要求所述的方法，其中使用重复过程以获取所述检测平面的所述第一图像和所述第二图像，在打开和关闭所述人造光源的基本周期期间，每一重复仅获取所述检测平面的所述图像的一部分，尤其是获取所述检测平面的所述图像中与同一行地址关联的像素(6U)。
16.如权利要求14所述的方法，其中在打开和关闭所述人造光源的单个基本周期中获取整个检测平面的第一图像和第二图像。
全文摘要
本发明涉及一种矩阵光学传感器，该矩阵光学传感器包括像素(6ij)的矩阵，每一个像素(6ij)由行地址和列地址标识；及多个可编程读取单元，可编程读取单元用于读取像素(6ij)，每一个可编程读取单元连接到至少一列像素且设置成在编程所述传感器(1)的步骤期间能够存储至少一个行地址；接收行地址；及对于一些读地址值，比较所述接收的行地址和编程的行地址，且如果它们相等则能够读取对应的像素(6ij)的值。
文档编号H04N5/345GK102257809SQ200980150837
公开日2011年11月23日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者Y·尼 申请人:新成像技术公司, 株式会社施乐库