專利名稱：圖像傳感器的單步黑電平校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及圖像傳感器校準(zhǔn)，尤其但不排他地涉及圖像傳感器的單步黑電平(black level)校準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
諸如CMOS或CXD傳感器的圖像傳感器是由單獨像素的陣列組成的，每個像素收集 入射到該圖像傳感器上的光子。每個像素收集光子的數(shù)目被通過光電二極管轉(zhuǎn)換為電荷， 該電荷隨即被轉(zhuǎn)換為模擬電壓，被放大，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，因而從單獨像 素獲得的信息可通常被數(shù)字信號處理器處理成最終的數(shù)字圖像。大多數(shù)圖像傳感器需要在使用前進(jìn)行某種形式的校準(zhǔn)，以使得從圖像傳感器獲得 的數(shù)據(jù)可以被用于生成數(shù)字圖像，該圖像如實再現(xiàn)了捕捉圖像的場景或物體的光學(xué)特性 (亮度，顏色等)。一些校準(zhǔn)可被執(zhí)行一次，并對圖像傳感器的每次后續(xù)使用保持有效，但 是，其他校準(zhǔn)必須為圖像傳感器的每一次使用被執(zhí)行。黑電平校準(zhǔn)是一種通常為圖像傳感 器每次使用被執(zhí)行的校準(zhǔn)。如其名字所暗示的，黑電平校準(zhǔn)的目的是為了確定圖像傳感器 的黑電平；黑電平校準(zhǔn)有效的確立一個閾值，在該閾值之下，從圖像傳感器獲得的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 值將被看作代表一個黑電平——或，換言之，代表無光或顯著缺光。該閾值隨即被用于調(diào)整 從陣列中其他像素捕獲的值。準(zhǔn)確的黑電平校準(zhǔn)有助于得到在陰影區(qū)域具有全對比(full contrast)和細(xì)微細(xì)節(jié)的數(shù)字照片。如果黑電平太低，那么在暗區(qū)域的信息可能會丟失；如 果黑電平太高，則可能犧牲信號范圍?，F(xiàn)今，圖像傳感器的黑電平校準(zhǔn)基于黑像素的均值被迭代實施。為了執(zhí)行該校準(zhǔn)， 數(shù)據(jù)從圖像傳感器的黑像素被讀出并求均值，模擬調(diào)整被計算以驅(qū)動該均值趨向于預(yù)定 值。通過使用計算出的模擬調(diào)整值，已調(diào)整的圖像隨即被捕獲并求均值，另一調(diào)整值被算出 以再次驅(qū)動黑均值趨向于預(yù)定值。這一迭代過程繼續(xù)執(zhí)行直到該黑均值達(dá)到所需值為止。按照現(xiàn)今方法執(zhí)行的黑電平校準(zhǔn)具有一些缺點，其中最明顯的是該過程的迭代 性。因為在每次圖像傳感器被用于捕捉圖像時都必須執(zhí)行黑電平校準(zhǔn)，所以迭代校準(zhǔn)明顯 減慢了圖像傳感器捕捉圖像的能力。其他問題也同樣存在，例如，做模擬調(diào)整的內(nèi)在不準(zhǔn)確 性。

發(fā)明內(nèi)容
公開了處理的實施例，該處理包括接收多個偏移模擬信號，每個偏移模擬信號對 應(yīng)于像素陣列中多個黑像素的一個；獲得每個偏移模擬信號的對應(yīng)數(shù)字值；計算該數(shù)字值 的均值；以及計算黑電平偏移，如果將該黑電平偏移應(yīng)用到該數(shù)字值，則將使數(shù)字值的均值 等于目標(biāo)值。還公開了設(shè)備的實施例，該設(shè)備包括與模擬信道耦合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以接 收來自模擬信道的偏移模擬黑像素信號，并獲得每個偏移模擬信號的對應(yīng)數(shù)字值；與模數(shù) 轉(zhuǎn)換器耦合的電路和邏輯，用以求對應(yīng)于黑像素的數(shù)字值的均值并計算黑電平偏移，如果 應(yīng)用該黑電平偏移到黑像素的數(shù)字值，則將使黑像素的數(shù)字值等于目標(biāo)值。


通過參考下述附圖描述了非限制性并且非窮盡的本發(fā)明實施例，其中，除非明確 說明，貫穿各個視圖中，相似的標(biāo)號指相似的部件。圖IA是二維圖像傳感器實施例的示意平面圖。 圖IB是示出諸如圖IA所示的圖像傳感器的輸出的實施例的圖。圖2是示出用于執(zhí)行黑電平校準(zhǔn)的設(shè)備的實施例的示意框圖。圖3A到圖3C是示出諸如圖1所示的圖像傳感器的單步黑電平校準(zhǔn)的實施例的 圖。圖4是系統(tǒng)實施例的示意框圖，該系統(tǒng)包括用于圖像傳感器黑電平校準(zhǔn)的設(shè)備的 實施例。
具體實施例方式此處說明了用于圖像傳感器黑電平校準(zhǔn)的設(shè)備，系統(tǒng)和方法的實施例。在下列描 述中，描述了眾多具體細(xì)節(jié)以提供對本發(fā)明實施例的完整理解。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn) 識到，本發(fā)明可無需一個或多個具體細(xì)節(jié)而被實現(xiàn)，或通過其他方法，部件，材料等實現(xiàn)。在 其他實例中，已知的結(jié)構(gòu)，材料或操作并未被具體顯示或描述，但是其也包含在本發(fā)明范圍 內(nèi)。貫穿本發(fā)明的提及“一個實施例”或“實施例”意思是與該實施例一同描述的一個 特定特性，結(jié)構(gòu)或特征被包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，本發(fā)明中出現(xiàn)的短語 “在一個實施例中”或“在實施例中”并不一定完全提及同一實施例。另外，特定特性，結(jié)構(gòu) 或特征可通過任意合適的方式組合在一個或多個實施例中。圖IA示意性地示出圖像傳感器100的實施例。圖像傳感器100包括二維像素陣 列，該陣列具有布置在行102和列104中的多個像素。圖像傳感器100包括用于校準(zhǔn)的黑 像素行106。黑像素106被設(shè)計為防止光到達(dá)像素的光檢測區(qū)域。在一個實施例中，黑像 素106可被諸如金屬的不透光材料所覆蓋，因而，沒有光可達(dá)像素的光檢測區(qū)域。在其他實 施例中，其他方法可被用于防止光到達(dá)像素的光檢測區(qū)域；例如，遮板(shutter)可被用于 堵住一個或多個行或列的像素，因而它們接收不到任何光。示出的像素陣列是均勻定型的， 但在其他實施例中，該陣列可具有不同于示出的布置并可以包括比示出的有更多或更少像 素，行及列。另外，雖然示出的實施例是彩色圖像傳感器，其包括設(shè)計用于在可見光譜部分 捕捉圖像的紅(R)，綠(Gr)和藍(lán)(B)像素，但在其他實施例中，圖像傳感器可以是CMY傳感 器或黑白圖像傳感器和/或設(shè)計用于在諸如紅外或紫外的不可見光譜部分捕捉圖像的圖 像傳感器。圖IB示出了來自諸如圖像傳感器100的圖像傳感器的輸出的實施例。在該圖中， 橫軸代表每個像素的X位置，而縱軸代表每個像素的模擬輸出的亮度I，該亮度可利用各種 物理量(諸如，電流，電壓或電荷)被表征和測量。來自正常像素(即，非黑像素)108的輸 出在圖中以開符號(X)繪制，而從黑像素106來的輸出以閉符號( )繪制。因為黑像素 106不接收任何光，所以理論上它們應(yīng)該沒有輸出；換言之，每個來自黑像素的輸出(被稱 為圖像傳感器100的“黑電平”)應(yīng)該在亮度等級上是零。但是一些因素(例如包括生產(chǎn)缺陷和/或各個像素內(nèi)晶體管和其他元件間的電流泄漏)導(dǎo)致黑像素106具有不為零的輸出，該輸出繼而導(dǎo)致需要圖像傳感器100的黑電平校準(zhǔn)。圖2示出設(shè)備200的實施例，該設(shè)備用以為諸如圖像傳感器100的圖像傳感器執(zhí) 行高速單步黑電平校準(zhǔn)。設(shè)備200包括圖像傳感器，該圖像傳感器包括與模擬信道204耦 合的像素陣列202。模擬信道204還與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 206耦合，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器繼而與黑 電平校準(zhǔn)(BLC)模塊207中的組件耦合。黑電平校準(zhǔn)模塊207包括兩個主要組件(模數(shù)轉(zhuǎn) 換器206與這兩個主要組件耦合)BLC行均值計數(shù)器208和偏移調(diào)整器212.同時還與BLC 行均值計數(shù)器208和偏移調(diào)整器212耦合的是組件211，該組件可以對BLC行均值計數(shù)器的 輸出數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。像素陣列202可以是任何種類的包括黑像素的像素陣列；在一個實施例中，像素 陣列202可以與上文跟圖像傳感器100 —起描述的像素陣列(參見圖1A) 一樣或相似。與 圖像傳感器100 —樣，在不同的實施例中，像素陣列202可以包括一個或多個上述對圖像傳 感器100的變更。模擬信道204與像素陣列202耦合用以從像素陣列202中的每個像素接收并調(diào)整 模擬信號。在不同實施例中，模擬信道204可以包括各種組件以調(diào)整模擬信號，該組件諸如 過濾器，放大器，偏移電路，自動增益控制器等。除了其他信號調(diào)整功能以外，模擬信道204 還可被用于給從像素陣列202每個像素中收到的模擬信號添加偏移。在一個實施例中，模 擬信道204可對從像素陣列202接收到的模擬信號設(shè)置偏移，因而當(dāng)其在ADC206被數(shù)字化 后，該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)將占據(jù)一個新的數(shù)據(jù)范圍，該范圍被擴(kuò)展正常數(shù)據(jù)范圍的規(guī)定分?jǐn)?shù)值(在0 和士1之間)。例如，在ADC 206無偏移地將模擬信號數(shù)字化，因而數(shù)據(jù)值的范圍為0到約 255(或用16進(jìn)制表示0到約FF)的實施例中，模擬信道204可被設(shè)為偏移該模擬信號，因 而該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)范圍被增加了一半，現(xiàn)在其占據(jù)0到約383的范圍。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 206與模擬信道204耦合用以接收已調(diào)整的模擬信號，并將其轉(zhuǎn) 換為數(shù)字值，該已調(diào)整的模擬信號來自模擬信道204并對應(yīng)于像素陣列202中的每個像素。 盡管對于給定比特長度，ADC 206編程的改變可以允許其仿真更長的比特長度，但是，可由 ADC 206表示的數(shù)字值范圍部分地依賴于其針對數(shù)據(jù)使用的比特長度。例如，在ADC 206以 8比特數(shù)字表示數(shù)據(jù)的實施例中，該數(shù)據(jù)可以取28(即256)個不同值，例如在0到約255之 間(或用16進(jìn)制表示0到FF)。在另一實施例中，ADC 206的數(shù)據(jù)范圍可簡單地通過延長 數(shù)據(jù)的比特長度被延長；每增加1比特的比特長度，可表示的數(shù)據(jù)范圍就加倍。因此，通過 使用9比特的數(shù)據(jù)，ADC 206可以有29個不同值，例如給出0到511 (或用16進(jìn)制表示為0 至IJ3FF)之間的數(shù)據(jù)值范圍。在ADC 206的其他實施例中，數(shù)據(jù)比特長度可大于9比特，例 如11比特，或可為不用數(shù)據(jù)使用不同比特長度，例如，黑像素數(shù)據(jù)用11比特數(shù)據(jù)，非黑像素 數(shù)據(jù)用8比特數(shù)據(jù)。BLC模塊207使用從ADC 206接收的數(shù)字黑像素數(shù)據(jù)來計算黑電平校準(zhǔn)并將其應(yīng) 用到非黑數(shù)字像素數(shù)據(jù)。在BLC模塊207內(nèi)，BLC行均值計數(shù)器208從ADC 206接收數(shù)字黑 像素數(shù)據(jù)，計算黑像素數(shù)字值的均值，并將此黑行均值輸出到元件211。元件211從BLC行 均值計數(shù)器208接收黑行均值，還接收目標(biāo)黑行均值的值?；谏鲜鰞蓚€值，元件211計算 出數(shù)字偏移，如果將該偏移應(yīng)用于數(shù)字黑像素值，則將使黑行均值基本等于目標(biāo)黑行均值。 在各種實施例中，該目標(biāo)黑行均值可被設(shè)置為任何所需值。例如，在一實施例中，目標(biāo)黑行均值可被設(shè)置為基本等于O ；將目標(biāo)黑行均值設(shè)置為O允許使用圖形傳感器的最大動態(tài)范 圍。在元件211計算數(shù)字偏移之后，數(shù)字偏移值被發(fā)送到偏移調(diào)整模塊212。偏移調(diào)整 模塊212與ADC 206耦合，并從ADC接收對應(yīng)于非黑像素的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。偏移調(diào)整模塊212隨 即將來自元件211的數(shù)字偏移應(yīng)用到對應(yīng)于非黑像素的每個數(shù)字值，并輸出被數(shù)字化偏移 的非黑像素數(shù)據(jù)到諸如數(shù)字信號處理器(DSP)的其他組件以進(jìn)行進(jìn)一步處理。非黑像素數(shù) 據(jù)與黑像素數(shù)據(jù)一樣，最初在模擬信道204中被偏移某個量，這意味著當(dāng)最初被數(shù)字化時， 非黑像素占據(jù)一個已擴(kuò)展的數(shù)據(jù)范圍。通過將來自元件211的數(shù)字偏移應(yīng)用到對應(yīng)于非黑 像素的數(shù)字值，非黑像素的數(shù)字值返回到原數(shù)據(jù)范圍。圖3A到圖3C圖形化的示出了被設(shè)備200實施的單步黑電平校準(zhǔn)的實施例。如圖 IB所示，在圖3A到圖3C的每個圖中，橫軸代表像素的χ位置，而縱軸代表來自每個像素的 輸出。來自正常像素(即非黑像素)的輸出在每個圖中以開符號(X)繪出，而來自黑像素 的輸出以閉符號( )繪出。圖3A示出在ADC 206處從模擬信道204接收的偏移模擬信號 的初始數(shù)字化之后來自像素的數(shù)據(jù)。由于應(yīng)用到模擬信道204中的信號上的模擬偏移，來 自所有像素——黑像素和非黑像素都一樣——的數(shù)據(jù)上移了。在示出的實施例中，像素數(shù) 據(jù)通常被表示為8比特數(shù)字，因此其具有0到255之間的數(shù)據(jù)范圍。應(yīng)用于模擬信道204 的模擬偏移導(dǎo)致相對應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)約等于8比特數(shù)據(jù)范圍一半的上移，因而，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)落 在約從0到383的范圍內(nèi)。為了順應(yīng)此擴(kuò)展的數(shù)據(jù)范圍，從偏移模擬數(shù)據(jù)得到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 必須由具有9比特或更多比特的數(shù)字表示，或必須對DSP 206的編程進(jìn)行一些規(guī)定以使DSP 可以仿真多于8比特來容納擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)范圍。圖3B示出了數(shù)字偏移計算的實施例，該偏移可被用于實現(xiàn)黑電平校準(zhǔn)。首先，黑 像素數(shù) 據(jù)的均值Batc被BLC行均值計數(shù)器208所計算。一旦Batc被計算后，目標(biāo)黑電平均值 Bt即被確立。在示出的實施例中，Bt是一個非零數(shù)字，但是如以上其他實施例中所述，目標(biāo) 黑電平均值可被設(shè)置為任何數(shù)字，包括零。已知現(xiàn)存黑電平均值Batc和目標(biāo)黑電平均值Βτ， 使黑電平均值為零所需的偏移量Δ即現(xiàn)存值和目標(biāo)值的差值Δ = Bt-Bavg因此，如果所有黑像素數(shù)據(jù)被下移一個量Δ，則黑均值將變成和目標(biāo)黑均值一樣。圖3C示出將數(shù)字偏移應(yīng)用于來自圖像傳感器/像素陣列202的非黑像素數(shù)據(jù)的 實施例。在圖2示出的設(shè)備實施例中，該功能可以在發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)字信號處理器或其他組 件之前被偏移調(diào)整器212執(zhí)行。在數(shù)字偏移如圖3Β所示被計算后，在計算數(shù)字偏移時存儲 在ADC 206中的非黑像素數(shù)據(jù)從ADC 206被發(fā)送到偏移調(diào)整器212，在偏移調(diào)整器212數(shù)字 偏移的值隨即被應(yīng)用到非黑像素數(shù)據(jù)。在示出的實施例中，數(shù)字偏移的公式使得將數(shù)字偏 移應(yīng)用到非黑像素數(shù)據(jù)意味著數(shù)字偏移被加到該非黑像素數(shù)據(jù)上；當(dāng)數(shù)字偏移是負(fù)值時， 減法是添加數(shù)字偏移到非黑像素數(shù)據(jù)的最后結(jié)果。然而在其他實施例中，數(shù)字偏移的公式 可以使之通過乘法、除法或其他某種數(shù)學(xué)運(yùn)算被應(yīng)用到數(shù)字偏移。圖4示出成像系統(tǒng)400的實施例，該系統(tǒng)使用諸如圖2描述的黑電平校準(zhǔn)設(shè)備200 的黑電平校準(zhǔn)設(shè)備。光學(xué)器件402與像素陣列202耦合以聚焦圖像于像素陣列202的像素 上。像素陣列202捕獲圖像，設(shè)備200的其他部分處理來自圖像的黑和非黑像素數(shù)據(jù)，如上 文與圖2和圖3Α到圖3C—起描述的那樣。在黑電平校準(zhǔn)被應(yīng)用于圖像之后，該圖像從偏移調(diào)整器212輸出到數(shù)字信號處理器(DSP)404，在該數(shù)字信號處理器圖像被進(jìn)一步處理以產(chǎn) 生最終的圖像數(shù)據(jù)。DSP 404可以隨即輸出最終圖像數(shù)據(jù)到顯示單元406和存儲單元408，
或二者之一。上述對本發(fā)明示出實施例的描述(包括摘要中的描述)，并非意欲窮盡或限制本 發(fā)明于所公開的具體形式。雖然為示出目的，本發(fā)明的具體實施例和示例在此處被描述，但 是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種等價更改是可行的。根據(jù)以上的詳 細(xì)說明，可對本發(fā)明進(jìn)行這些更改。在下述權(quán)利要求中所應(yīng)用的術(shù)語不應(yīng)被理解為限制本發(fā)明于公開在說明書和權(quán) 利要求中的 具體實施例。更確切的，本發(fā)明的范圍完全由下述權(quán)利要求確定，該權(quán)利要求可 以根據(jù)權(quán)利要求解釋的已確定原則來理解。
權(quán)利要求
一種處理，包括接收多個偏移模擬信號，每個偏移模擬信號對應(yīng)于像素陣列中的多個黑像素之一；獲得每個偏移模擬信號的對應(yīng)數(shù)字值；計算所述數(shù)字值的均值；以及計算黑電平偏移，如果將所述黑電平偏移應(yīng)用到所述數(shù)字值，則將使所述數(shù)字值的均值等于目標(biāo)值。
2.如權(quán)利要求1所述的處理，其中，所述目標(biāo)值等于或大于零。
3.如權(quán)利要求1所述的處理，還包括接收多個偏移模擬信號，每個偏移模擬信號對應(yīng)于所述像素陣列中的多個非黑像素之 獲得來自非黑像素的每個偏移模擬信號的對應(yīng)數(shù)字值；以及 將所述黑電平偏移應(yīng)用到對應(yīng)于非黑像素的數(shù)字值。
4.如權(quán)利要求3所述的處理，其中，將所述黑電平偏移應(yīng)用到對應(yīng)于非黑像素的數(shù)字 值包括將所述黑電平偏移加到對應(yīng)于每個非黑像素的數(shù)字值上。
5.一種設(shè)備，包括與模擬信道耦合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以從所述模擬信道接收偏移模擬黑像素信號，并用 以獲得每個偏移模擬信號的對應(yīng)數(shù)字值；與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器耦合的電路和邏輯，用以 求對應(yīng)于黑像素的數(shù)據(jù)值的均值，以及計算黑電平偏移，如果將所述黑電平偏移應(yīng)用到黑像素的數(shù)字值，則將使黑像素的數(shù) 字值的均值等于目標(biāo)值。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述目標(biāo)值等于或大于零。
7.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器還接收偏移模擬非黑像素值，并且 所述電路和邏輯還把黑電平偏移應(yīng)用到對應(yīng)于非黑像素的數(shù)字值。
8.一種系統(tǒng)，包括像素陣列，該像素陣列包括多個黑像素和多個非黑像素；與所述像素陣列耦合的模擬信道，其中所述模擬信道將模擬偏移應(yīng)用到從所述多個黑 像素和所述多個非黑像素得到的信號；與所述模擬信道耦合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以獲得每個偏移模擬信號的對應(yīng)數(shù)字值，該偏 移模擬信號接收自所述模擬信道；與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器耦合的電路和邏輯，用以 求所述黑像素的數(shù)字值的均值，以及計算黑電平偏移，該黑電平偏移將使黑像素的數(shù)字值的均值等于目標(biāo)值。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括與所述像素陣列相耦合的光學(xué)器件。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括偏移調(diào)整器，用以把黑電平偏移應(yīng)用到對應(yīng)于非 黑像素的數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括與所述偏移調(diào)整器耦合的數(shù)字信號處理器。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括與所述數(shù)字信號處理器耦合的顯示器和存儲單 元中的至少一個。
全文摘要
公開了處理的實施例，該處理包括接收多個偏移模擬信號，每個偏移模擬信號對應(yīng)于像素陣列中的多個黑像素之一；為每個偏移模擬信號獲得對應(yīng)的數(shù)字值；計算數(shù)字值的均值；以及計算黑電平偏移，如果應(yīng)用該黑電平偏移到數(shù)字值，則將使數(shù)字值的均值等于目標(biāo)值。還公開了設(shè)備的實施例，該設(shè)備包括與模擬信道耦合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以從模擬信道接收偏移模擬黑像素信號，并用以為每個偏移模擬信號獲得對應(yīng)的數(shù)字值；與模數(shù)轉(zhuǎn)換器耦合的電路和邏輯，用以對對應(yīng)于黑像素的數(shù)字值求均值，并計算黑電平偏移，如果應(yīng)用該黑電平偏移到黑像素的數(shù)字值，則將使黑像素數(shù)字值的均值等于目標(biāo)值。
文檔編號H04N5/217GK101843089SQ200880114223
公開日2010年9月22日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者代鐵軍, 許祥琛, 駱曉東 申請人:美商豪威科技股份有限公司