CN105812683A - 像素图像不均匀的补偿方法及相关图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种像素图像不均匀的补偿方法。此方法包含以下步骤：首先，通过一具有多个像素的图像传感器接收输入图像，其中每一像素包括可变电容；接着，计算至少一部分的像素的亮度信息；接着，根据亮度信息，个别调整该部分的像素中的可变电容的电容值。另外，本发明还提出一种相关图像传感器。

Description

像素图像不均匀的补偿方法及相关图像传感器
技术领域
本发明涉及一种像素图像不均匀的补偿方法，特别是有关一种通过调整电容值，以至于能够补偿像素图像的不均匀的方法，也特别是有关一种图像传感器，其中的像素中具有可变电容，而可利用可变电容来执行不均匀补偿。
背景技术
图像传感器接收一图像并将其转换成电讯号。图1显示现有技术的图像传感器10，其中此图像传感器10包括由排成行与列的像素11所组成的阵列。此图像传感器10可应用于例如光学鼠标及数码相机等。在此现有技术的图像传感器10中，经常发生像素不能均匀接收图像的现象。原因可能是像素本身的不均匀造成的，或是，与此图像传感器10所搭配的光学***造成的，或是由以上两者共同造成的。在原因为光学***的不均匀造成问题的情况下，往往是位于图像传感器10前头的镜头***的不均匀而引起问题(又称作为“镜头滑移”(lensrolloff)或是“镜头的相对照明”(relativeillumination)或是“镜头的晕边现象”(vignetting))、或是由照明***的不均匀而引起问题，或是由以上两者共同造成的。以上的问题皆会使整个阵列彼此之间的亮度有所偏差。例如，即使原始对象的亮度可能为相同或是均匀分布，位于图像边缘的亮度却可能会较位于图像中央的亮度来得低，使得位于阵列边缘的像素会有亮度衰减的问题，以至位于阵列边缘的像素会较位于阵列中央的像素的亮度相对地较暗。
这种不均匀的亮度会使***有噪声或是产生一个固定的图案，而即使图像改变，这样的问题仍会持续存在，以致影响光学鼠标的追踪效能表现，例如光学鼠标的准确率、所能达成的最大速度或是表面涵盖范围等，亦可能会影响数码相机或是其他使用图像传感器的装置的效能表现。
有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种通过调整电容值，以至于能够对像素图像的不均匀进行补偿的方法，也提出一种图像传感器，其中的像素中具有可变电容，而可利用可变电容来执行不均匀补偿。此方法与图像传感器能够通过调整电容值而补偿像素图像的不均匀。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种像素图像不均匀的补偿方法及相关图像传感器，此方法与图像传感器能够通过调整电容值而补偿像素图像的不均匀。
为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种用于补偿像素图像的不均匀的方法，该方法包含以下步骤：(A)通过一具有多个像素的图像传感器接收一输入图像，其中每一像素包括一可变电容；(B)计算该多个像素中至少一部分像素的亮度信息；以及(C)根据该亮度信息，个别调整该部分像素中的可变电容的电容值。
在一种较佳的实施型态中，每一像素的亮度信息反映此像素的亮度衰减，且其中步骤(C)包含：对于亮度衰减相对较严重的像素，补偿使该像素的可变电容具有相对较低的电容值，而对于亮度衰减相对较不严重的像素，补偿使该像素的可变电容具有相对较高的电容值。
在一种较佳的实施型态中，该输入图像是根据具有均匀亮度分布的一原始图像而产生。
在一种较佳的实施型态中，该输入图像是根据具有已知亮度分布的一原始图像而产生，且该亮度信息包括：一像素的实际亮度与该原始图像中的一相对应位置的亮度之间的差异。
在一种较佳的实施型态中，每一可变电容包括多个彼此电性并联的补偿电容，且每一补偿电容由一对应的开关所控制。
在一种较佳的实施型态中，步骤(C)包括：根据该亮度信息，决定哪些补偿电容要被导通。
在一种较佳的实施型态中，哪些补偿电容要被导通是经由一多位数字讯号来设定。
在一种较佳的实施型态中，该多个像素被排成具有行与列的阵列，且其中该多位数字讯号的一部分位通过行的布线传送，而该多位数字讯号的其他部分的位通过列的布线传送。
在一种较佳的实施型态中，每一可变电容还包括一与该多个补偿电容彼此电性并联的固定电容。
在一种较佳的实施型态中，该多个像素被排成具有行与列的阵列，且其中步骤(C)是通过以像素为单位一个像素一个像素地来执行、或是通过以行为单位一行一行地来执行、或是通过以列为单位一列一列地来执行。
为达上述目的，就另一观点言，本发明提供了一种图像传感器，包含：多个像素，其中每一像素包括：一光讯号接收单元，用以接收光且根据所接收的光产生第一电荷；一可变电容单元，与该光讯号接收单元耦接，用以储存第二电荷，其中储存于该可变电容单元中的该第二电荷的量是相关于该第一电荷的量；以及一输出单元，与该可变电容单元耦接，用以产生与该第二电荷的量相关的一输出讯号。
在一种较佳的实施型态中，该光讯号接收单元包括：一第一开关及一双载子晶体管(BJTtransistor)，彼此电性串联以形成位于一供应电源与一参考电压位准之间的一第一串联电路；一光二极管，与该双载子晶体管的一基极耦接；以及一第二开关，电性串联于该供应电源与该可变电容单元之间，以形成位于该供应电源与该可变电容单元之间的一第二串联电路；其中，该第一串联电路与该第二串联电路彼此之间通过一第三开关而电性连接。
在一种较佳的实施型态中，该输出单元包括一源极随耦器、一第四开关以及一用来使该源极随耦器产生偏压的电流吸收器。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1显示现有技术的图像传感器的像素阵列的示意图；
图2显示本发明的能够对像素图像的不均匀进行补偿的***实施例的示意图；
图3显示本发明一实施例的像素的功能方块图；
图4显示本发明的像素的更具体实施例的示意图；
图5显示本发明中可用于像素中的可变电容的一实施例；
图6显示用来调整阵列中的像素的可变电容的电容值的电路和方法；
图7为一方法流程图，其显示本发明通过调整电容值来对像素图像的不均匀进行补偿的方法的一实施例。
图中符号说明
〔现有技术〕
10现有图像传感器
11现有像素
〔本发明〕
200***
10图像传感器
12像素
121光讯号接收单元
122可变电容单元
123输出单元
20处理单元
ADC模拟数字转换器
Ct可变电容
C0固定电容
C1～Cn补偿电容
LB1BJT晶体管
LCM3电流吸收器
LD1光二极管
LM1晶体管
LS1～LS4开关
N1、N2共同节点
S1～Sn开关
Sm开关
Sm+1开关
ST1～ST3步骤
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。
请参考图2，其显示本发明一实施例的能够对像素图像的不均匀进行补偿的***200的示意图。如图2所示，***200包含一图像传感器10及一处理单元20。图像传感器10包括多个像素12。较佳地，这些像素12可被排成行与列。然而，像素12亦可被排成其他的样式。图像传感器接收一图像并将其转换成电讯号。处理单元20则负责处理这些电讯号。
请参考图3。本发明的像素12包括一光讯号接收单元121、一可变电容单元122及一输出单元123。光讯号接收单元121接收光且根据所接收的光产生电荷。可变电容单元122用以储存电荷，并且储存于可变电容单元122中的电荷的量是相关于根据所接收的光而产生的电荷的量。根据储存于可变电容单元中122的电荷的量，输出单元123产生与其相关的一输出讯号。其中，此输出讯号代表着像素12所接收的一光讯号。本发明的像素12优于现有技术的像素11，原因在于：本发明的像素12包括可变电容单元122，而此可变电容单元122能够补偿像素图像的不均匀。
像素的种类有很多种，本发明采用一双载子晶体管(BJTtransistor)当作例子，以便解释本发明的可变电容单元122如何达成补偿像素图像的不均匀的功能。值得注意的是，本发明亦可采用其他种类的像素，而不局限于采用双载子晶体管。
请参考图4。在一实施例中，像素12包括一pnp双载子晶体管(pnpBJTtransistor)LB1(以下称为“pnpBJT晶体管LB1”)，一np光二极管LD1，一开关LS1，一开关LS2，一具有可变电容值的可变电容Ct、一构成源极随耦器的晶体管LM1、一开关LS4及一电流吸收器(currentsink)LCM3。开关LS1及pnpBJT晶体管LB1彼此电性串联以构成位于一供应电源与一参考电压位准(例如：一接地电位)之间的一第一串联电路。光二极管LD1与pnpBJT晶体管LB1耦接。光二极管LD1根据所接收的光产生电荷，而当有一导通路径存在时，这些电荷便成为电流。开关LS2电性串联于供应电源与可变电容Ct之间，以形成位于该供应电源与该可变电容单元之间的一第二串联电路。第一串联电路与第二串联电路彼此之间通过一开关LS3而电性连接。开关LS3将一共同节点N1与另一共同节点N2连接起来。可变电容Ct电性串联于共同节点N2与一接地电位之间。在本实施例中，输出单元123包括一构成源极随耦器的晶体管LM1、一开关LS4及一电流吸收器LCM3，此三者彼此电性串联于供应电源与参考电压位准之间，其中电流吸收器LCM3使源极随耦器产生偏压。
在操作时，于重置阶段，通过使开关LS2和LS1为通路而使开关LS3和LS4为断路，而使可变电容Ct和光二极管LD1被重置。可变电容Ct上的跨压会被重置至一预设的电位。接着，于快门阶段，光二极管LD1接收光；开关LS3被导通，而开关LS1、LS2、LS4为断路，于是可变电容Ct会放电，且可变电容Ct上所存留的电压是和光二极管LD1所产生的电流相关。接着，于取样阶段，开关LS4被导通，而开关LS1、LS2、LS3为断路。晶体管LM1构成源极随耦器，其源极(Vs)追随栅极(Vg)的电压，不过两者间有一固定的压差、即晶体管LM1的临界电压(Vth)，也就是说有以下的关系：Vs＝Vg-Vth。输出单元123所产生的输出讯号是可变电容Ct上所存留的电压减去晶体管LM1的临界电压(Vth)，其中此输出讯号代表着光二极管LD1所接收的光讯号。输出讯号是模拟讯号，其可被一模拟数字转换器(ADC)转换成数字讯号。
本发明的一项重要特征在于：可变电容Ct具有可变的电容值。请参考图2，举例来说，由于位于图像传感器前头的镜头***的不均匀或是由于光照的不均匀，位于图像边缘的像素的亮度可能会较位于图像中央的像素的亮度来得低。根据本发明，此一不均匀的缺陷可以通过调整可变电容C的电容值而得到补偿。举例来说，假如有一像素(例如：位于图像边缘的像素)倾向于具有较低的亮度，则此像素的电容值可被调得较低。另一方面，假如有一像素(例如：位于图像中央的像素)倾向于具有较高的亮度，则此像素的电容值可被调得较高。调整的量可以是相关于实际的亮度与所需的亮度之间的亮度偏差。通过这样的方式，不均匀的缺陷可以被补偿。相反的，在图1所示的现有技术中，像素11所包括的电容，其电容值为不可变的，因此，现有技术中的不均匀的缺陷无法被补偿。
图5显示本发明中可用于像素中的可变电容Ct的一实施例。在本实施例中，可变电容Ct包括一固定电容C0、多个补偿电容C1-Cn及多个开关S1-Sn。其中，每一补偿电容与一对应的开关S1-Sn彼此电性连接，以形成一串联电路。各补偿电容所构成的各串联电路与固定电容C0彼此电性并联。如此，通过提供一数字讯号来控制开关S1-Sn，可变电容Ct便成为一个数字的可变电容。在一实施例中，固定电容C0的电容值可以被设定为大于任何一个补偿电容C1-Cn的电容值，以使得补偿电容C1-Cn针对可变电容Ct的电容值所做的调整是一种微调的功用。然而，请注意图5所示的可变电容Ct并不是用于限制本发明，可变电容Ct的实施方式当然可以为其他的形式。举例来说，在一实施例中，在固定电容C0和共同节点N25之间可以提供一开关。在另一实施例中，固定电容C0可以被省略。
图6显示用来调整阵列中的像素的可变电容Ct的电容值的电路和方法。在本实施例中，像素被排成行与列以构成一阵列。且，每一可变电容Ct包括多个补偿电容C1-Cn及多个开关S1-Sn。也就是说，每一可变电容Ct所具有的电路结构与图5所示的电路结构相同或相似，而其中可具有或可不具有固定电容C0。通过一个n位的数字讯号来个别地控制开关S1、S2、...、Sm、Sm+1、...、Sn，可以调整每一像素的可变电容Ct的电容值，其中m小于n，且m和n二者皆为正整数。电容值可以被一列一列地逐列调整(Sm+1～Sn；n>m)以及一行一行地逐行调整(S1～Sm)，因为同列或同行的像素可共享部分的控制讯号。针对被选定的像素，n位的数字讯号个别地控制开关S1-Sn，该数字讯号的各位决定了对应的开关S1-Sn的导通/断路状态。依此方式，每一像素的可变电容Ct的电容值可以被设定成所需的电容值。在本实施例中，如图6所示，n位的数字讯号的某一部分的位通过行的布线被传送，而n位的数字讯号的其他部分的位通过列的布线被传送。然而，这仅是较佳的实施方式，而非必须的实施方式。
在下表所示的一个例子中，假设可变电容Ct包括有一个固定电容C0及5个补偿电容C1-C5。其中，补偿电容C1-C5个别所具有的电容值如表中的第一列所列举。通过将可变电容Ct的电容值设定成所需的电容值，可以补偿不均匀的缺陷。当然，这张表仅是所有可能的实施方式的其中一种可能性，位的个数以及各电容的电容值并不用以限制本发明的范围。
表一
在上方的表中，“补偿因子”一词的定义为“电容值差异/参考电容值”。“参考电容值”可以为任何预设的数值，而“电容值差异”指的是在经过补偿以后的电容值与参考电容值之间的差异。
图7为一方法流程图，其显示本发明通过调整电容值对像素图像的不均匀进行补偿的方法的一实施例。请参考图7，首先，具有多个像素的图像传感器接收一输入图像(步骤ST1)。在一实施例中，像素被排成行与列。在一实施例中，较佳地，输入图像是根据具有一已知亮度分布的一原始图像而产生。举例来说，原始图像可以具有例如但不限于均匀地分布的亮度。由于图像传感器前头的镜头***的不均匀，因此输入图像可能和原始图像的亮度是不同的。
接着，计算至少一部分的像素的亮度信息(步骤ST2)。某一像素的亮度信息会反映出此像素的亮度衰减情况。通常来说，虽然将全部整体像素的亮度信息都计算较为妥当，在某些情况下，并不需要将某些像素的亮度信息给计算出来。举例来说，在图像传感器中，位于图像中央的像素的亮度信息可能并不需要计算。计算某个像素的亮度信息的目的是为了要决定这个像素的补偿因子。假如某个像素的补偿因子可以被预先决定，则这个像素的亮度信息就不需要被计算。举例来说，位于图像中央的像素通常没有亮度衰减的缺陷，因此，这些位于图像中央的像素的补偿因子可以被预先决定，例如，可以被设为有最低的补偿因子(例如，该像素的可变电容Ct可以被设为在所有的像素当中具有最低的补偿因子)。由于原始图像的亮度分布是已知的，某个像素的实际亮度与位于原始图像的对应位置的亮度之间的差异便可以获得。在一实施例中，较佳地，亮度信息包括这样的差异。在另一实施例中，假设原始图像具有均匀的亮度分布，则在此情况下，亮度信息可以仅等于某个像素的实际亮度。
接着，根据亮度信息，调整某部分的像素中的可变电容Ct的电容值(步骤ST3)。具有相对较高(较严重)的亮度衰减的像素应该被施予补偿，以使该像素的可变电容Ct具有相对较低的电容值，而具有相对较低(较不严重)的亮度衰减的像素则被施予补偿，以使该像素的可变电容Ct具有相对较高的电容值。如果像素的可变电容Ct的电容值可以用数字的方式来设定(例如但不限于图5所示的实施例)，则例如但不限于可以预先建立类似表一这样的表。此表乃是反映出补偿因子与电容值调整设定之间的相关性(也就是决定该导通哪些补偿电容)。某个像素的亮度信息可对应于某个补偿因子，而可变电容Ct的应有电容值便可以根据补偿因子来决定，由此可决定该导通哪些补偿电容。如此一来，像素便可以被补偿，以至于其可变电容Ct具有所需的电容值。
电容值的调整步骤可以是通过以像素为单位一个像素一个像素地来执行、或是通过以行为单位一行一行地来执行、或是通过以列为单位一列一列地来执行。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，图像传感器的像素不局限于为一BJT像素，其亦可采用其他种类的像素。又例如，在所示各实施例电路中，可***不影响讯号主要意义的元件，如其他开关等。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。此外，本发明的任一实施型态不必须达成所有的目的或优点，因此，权利要求书的任一项也不应以此为限。

Claims (17)

1.一种像素图像不均匀的补偿方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
(A)通过一具有多个像素的图像传感器接收一输入图像，其中每一像素包括一可变电容；
(B)计算该复数像素中至少一部分像素的亮度信息；以及
(C)根据该亮度信息，个别调整该部分像素中的可变电容的电容值。
2.如权利要求1所述的像素图像不均匀的补偿方法，其中，每一像素的亮度信息反映此像素的亮度衰减，且其中步骤(C)包含：对于亮度衰减相对较严重的像素，补偿使该像素的可变电容具有相对较低的电容值，而对于亮度衰减相对较不严重的像素，补偿使该像素的可变电容具有相对较高的电容值。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该输入图像是根据具有均匀亮度分布的一原始图像而产生。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该输入图像是根据具有已知亮度分布的一原始图像而产生，且该亮度信息包括：一像素的实际亮度与该原始图像中的一相对应位置的亮度之间的差异。
5.如权利要求1所述的方法，其中，每一可变电容包括多个彼此电性并联的补偿电容，且每一补偿电容由一对应的开关所控制。
6.如权利要求3所述的方法，其中，步骤(C)包括：根据该亮度信息，决定哪些补偿电容要被导通。
7.如权利要求6所述的方法，其中，哪些补偿电容要被导通是经由一多位数字讯号来设定。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该多个像素被排成具有行与列的阵列，且其中该多位数字讯号的一部分位通过行的布线传送，而该多位数字讯号的其他部分的位通过列的布线传送。
9.如权利要求3所述的方法，其中，每一可变电容还包括一与该多个补偿电容彼此电性并联的固定电容。
10.如权利要求1所述的方法，其中，该多个像素被排成具有行与列的阵列，且其中步骤(C)是通过以像素为单位一个像素一个像素地来执行、或是通过以行为单位一行一行地来执行、或是通过以列为单位一列一列地来执行。
11.一种图像传感器，其特征在于，包含：
多个像素，其中每一像素包括：
一光讯号接收单元，用以接收光且根据所接收的光产生第一电荷；
一可变电容单元，与该光讯号接收单元耦接，用以储存第二电荷，其中储存于该可变电容单元中的该第二电荷的量是相关于该第一电荷的量；以及
一输出单元，与该可变电容单元耦接，用以产生与该第二电荷的量相关的一输出讯号。
12.如权利要求11所述的图像传感器，其中，该可变电容单元包括多个彼此电性并联的补偿电容，且每一补偿电容由一对应的开关所控制。
13.如权利要求12所述的图像传感器，其中，哪些补偿电容要被导通是经由一多位数字讯号来设定。
14.如权利要求13所述的图像传感器，其中，该多个像素被排成行与列，且其中该多位数字讯号的一部分位通过行的布线传送，而该多位数字讯号的其他部分的位通过列的布线传送。
15.如权利要求12所述的图像传感器，其中，每一可变电容还包括一与该多个补偿电容彼此电性并联的固定电容。
16.如权利要求11所述的图像传感器，其中，该光讯号接收单元包括：
一第一开关及一双载子晶体管，彼此电性串联以形成位于一供应电源与一参考电压位准之间的一第一串联电路；
一光二极管，与该双载子晶体管的一基极耦接；以及
一第二开关，电性串联于该供应电源与该可变电容单元之间，以形成位于该供应电源与该可变电容单元之间的一第二串联电路；
其中，该第一串联电路与该第二串联电路彼此之间通过一第三开关而电性连接。
17.如权利要求11所述的图像传感器，其中，该输出单元包括一源极随耦器、一第四开关以及一用来使该源极随耦器产生偏压的电流吸收器。
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