用於與成像傳感器幀同步的相機致動器驅動器模式控制的方法和裝置與流程
2024-03-09 22:05:15 2
背景技術：
消費電子設備諸如智慧型電話、平板計算機和其他包含相機的設備(包括個人專用相機)的製造商當前使用音圈馬達(VCM)以用於致動或移動成像透鏡以便調整光學相機(作為自動對焦系統的一部分)的焦點位置或用於執行光學穩像。為實現可移動透鏡的精確定位以及低電氣噪聲操作，目前通常使用恆定電流線性驅動電路來驅動VCM。然而，從功率消耗的觀點來說，已發現線性驅動電路並非足夠高效，使得應當在可攜式相機設備中使用開關模式或開關型(有時描述為脈寬調製(PWM)驅動電路)以增強功率效率。實際上，PWM或開關模式驅動電路可比用於VCM的線性驅動電路的效率高最多至50％。
技術實現要素：
已發現開關模式驅動電路諸如用於驅動VCM的PWM驅動電路的使用幹擾相機的固態成像傳感器，從而導致有害的成像噪聲，該噪聲是指例如以「行條帶」的形式出現在所得的數字圖片中的噪聲偽影，該「行條帶」是橫穿所得數字圖片的微弱但明顯的水平線。
根據本發明的實施方案，相機裝置具有機電致動器(例如VCM)作為相機裝置的一部分，該機電致動器被耦接以移動：a)將光引導到像素傳感器陣列上的光學元件例如成像透鏡，或b)像素傳感器陣列自身。例如，致動器可為自動對焦系統的一部分，該致動器移動成像透鏡，該成像透鏡將光引導到像素傳感器陣列上。成像傳感器和其像素傳感器產生數字圖像序列(例如在預覽模式期間或在操作的其他靜態圖像捕獲模式或視頻捕獲模式期間)，其中對於數字圖像中的每個數字圖像，像素傳感器陣列在操作的重置/快門節段被重置。隨後，在操作的整合階段期間，允許像素傳感器陣列將來自場景的光轉換為像素信號。最後，在操作的讀出階段，像素信號以數字形式被讀出。當相機裝置正產生數字圖像序列時，致動器以線性模式和開關模式被驅動(例如，為了自動對焦和/或光學或機械穩像)。在圖像捕獲期間，當在兩種模式之間「動態地」變化時，在這種意義上，致動器以a)與成像傳感器的操作的讀出階段同步時的線性模式以及b)與成像傳感器的操作的整合階段同步時的開關模式被驅動，則致動器以線性模式和開關模式被交替驅動。從而在開關模式驅動的較大功率效率和線性驅動的較低噪聲水平之間獲得良好的折中，從而產生所得的數字圖片，該所得的數字圖片不具有由開關模式驅動所導致的明顯的偽影。
操作的讀出階段可被視為時間間隔，在該時間間隔期間，相機對由驅動致動器的電路所產生的電氣噪聲高度敏感。因此，在讀出階段的一部分或全部期間使用線性驅動電路來驅動致動器有助於減少得自讀出操作的所捕獲的數字圖像內的有害噪聲偽影例如行條帶的發生。
然而，為提高功率效率，有時應當使用開關模式驅動電路來驅動致動器，例如在操作的重置/快門階段的一部分期間。根據對來自致動器驅動電路的電氣噪聲的敏感性，整合階段可被視為傳感器幀結構的低敏感度部分，而如果重置/快門階段與使用開關模式驅動電路驅動致動器重合時，由於噪聲偽影將出現在數字圖像中的可能性較大，因此重置/快門階段可被視為中敏感度區間。
為獲得甚至更高的功率效率，在整合階段的一部分期間和重置/快門階段的一部分期間使用開關模式驅動電路來驅動致動器。然而，如果後面的組合導致所得的數字圖片中太多的噪聲，則折中的配置可為不僅在讀出階段的全部期間而且在重置/快門階段的全部期間使用線性驅動，並且將開關模式驅動局限於整合階段的僅一部分。
以上概述不包括本發明的所有方面的詳盡列表。可預期的是，本發明包括可由上文概述的各個方面以及在下文的具體實施方式中公開並且在隨該專利申請提交的權利要求中特別指出的各種方面的所有合適的組合來實施的所有系統和方法。此類組合具有未在上述發明內容中具體闡述的特定優點。
附圖說明
本發明的實施例以舉例的方式進行說明，而不僅限於各個附圖的圖示，在附圖中類似的附圖標號指示類似的元件。應當指出，本公開中提到本發明的「一個」(「an」或「one」)實施方案未必是同一實施方案，並且它們表示至少一個實施方案。另外，給定附圖可用於示出本發明的多於一個實施方案的特徵，並且不是圖中的所有元件可用於給定的實施方案。
圖1是根據本發明的實施方案的相機裝置的相關部件的框圖。
圖2示出了對於電子滾動快門(ERS)圖像傳感器這一具體情況而言的示例性圖像傳感器幀結構相對於時間。
圖3示出了與開關模式控制信號和標籤重疊的圖像傳感器幀結構，指示每個幀的與開關模式驅動和線性模式驅動重疊的部分。
圖4示出了本發明的另一個實施方案，在該實施方案中，使用開關模式驅動的區間包括針對給定幀的整合階段的一部分和重置/快門階段的一部分。
具體實施方式
現在將參考所附附圖來解釋本發明的若干個實施例。雖然闡述了許多細節，但應當理解，本發明的一些實施方案可在沒有這些細節的情況下實施。在其他情況下，未詳細示出熟知的電路、結構和技術，以免模糊對該描述的理解。
圖1是根據本發明的實施方案的相機裝置的相關部件的框圖。成像傳感器電路可由成像傳感器像素陣列2(也稱為焦平面陣列)和模數(A/D)轉換電路5組成，該成像傳感器像素陣列和模數(A/D)轉換電路用於產生場景的所捕獲數字圖像1,2,3..N的序列。來自場景的光由透鏡3引導到成像傳感器像素陣列2上，該透鏡可為相機的光學子系統的一部分。機電致動器4例如VCM被耦接以移動透鏡3。該移動可被設計為改變在成像傳感器像素陣列2(例如變焦鏡頭或或可變倍率)上產生的光學圖像的尺寸，或者該移動可用於初步改變焦距，使得場景中的物體在形成於像素陣列2(自動對焦鏡頭)上的光學圖像中被清晰地捕獲。致動器4或者可被連接以移動另一個光學元件或像素傳感器陣列2自身，例如作為光學/機械穩像器的一部分。致動器4由線性驅動部分11和由開關型或開關模式驅動部分12交替驅動，該線性驅動部分和開關型或開關模式驅動部分均為驅動器電路的一部分。儘管未示出，但可包括附加的驅動器電路部分(使得線性驅動部分11和開關模式驅動部分12無需為相機裝置中用於驅動致動器4的僅有的驅動器電路)。
相機裝置具有若干控制塊。這些控制塊包括曝光控制項8，該曝光控制項在一些情況下可為高層相機驅動器軟體(例如作業系統級)，該高層相機驅動器軟體正由處理器執行，以便使用任何合適的曝光計算算法來計算所需的曝光時間或整合時間，成像傳感器電路(包括像素傳感器陣列2)被配置為具有所需的曝光時間或整合時間以用於捕獲數字圖像。儘管未示出，曝光控制項8具有可耦接至若干已知源的輸入，以便接收參數，諸如針對透鏡3的環境光測量、變焦或放大設置、(由用戶)手動選擇的曝光時間和幀捕獲速率。基於所需的和/或計算的曝光設置的組合，例如整合時間和幀捕獲速率，曝光控制項8配置快門和讀出控制電路7，該電路控制傳感器像素陣列2曝光的時間或允許整合光致電荷的時間，該光致電荷由來自針對在給定幀中捕獲的每個圖像的場景的光導致。
在一個實施方案中，快門和讀出控制電路7可為電子快門方法(用於許多目前的相機中)的一部分。電路7在那種情況下可為可編程數字邏輯電路的形式，該可編程數字邏輯電路負責生成具有準確定時的數字控制信號，其中此類控制信號適用於像素陣列2的片上快門控制電路，以便執行快門或光檢測器重置操作，隨後執行整合和讀出。
儘管在許多相機中使用電子快門方法，其中像素陣列2的曝光或整合時間由從像素的電子信號轉換或由像素所進行的整合的電子終止來限定，但是供替代的選擇是使用機械快門，該機械快門在物理上阻擋場景光到達像素。來自快門和讀出控制項7的控制信號在那種情況下會被設計為驅動機電致動器，該機電致動器例如控制葉片式快門或焦平面快門。
對於讀出而言，可使用合適的定時來認定行選擇控制信號，以便執行構成像素陣列2的多個像素的有序讀出。像素陣列2可為根據例如互補金屬氧化物半導體(CMOS)光電二極體技術或電荷耦合器件(CCD)技術或其他合適的成像傳感器像素技術製造的光檢測器的陣列。像素輸出信號由模數(A/D)轉換電路5數位化，並隨後被格式化或布置並存儲為存儲器6內的所捕獲的數字圖像1,2,...N。儘管A/D轉換電路5在圖1中與像素陣列2相比而言被示出為單獨的框，這並不意味著A/D轉換電路需要被形成為單獨的單片電路。相反，A/D轉換電路5中的一部分或全部可整合到陣列2的像素結構中。
描述了本發明的各種實施方案，所述實施方案可憑藉具有不太明顯的圖像噪聲偽影(諸如行條帶)的「清理器」捕獲的圖像而表現出對電氣噪聲的改進的免疫力，該電氣噪聲由在連續圖像捕獲期間正驅動致動器4的開關模式驅動器電路內在產生。這些是使用若干實施例來示出的，這些實施例聚焦於圖像傳感器幀結構(定時幀)，該圖像傳感器幀結構屬於圖像獲取的電子滾動快門(ERS)類別，其中幀中的每個數字圖像或圖片不是從單個時間點處的像素陣列2的快照記錄的，而是通過隨時間垂直或水平地掃描整個像素陣列來記錄的。然而，應當指出的是，下文描述的用於改進對致動器驅動器電路引起的圖像噪聲的免疫力的技術也適用於全局快門圖像獲取方法，在該方法中，整個像素陣列2在相同的時間窗口「暴露」，也稱為全局快門幀或全局重置技術。例如，許多CCD類型的像素陣列使用全局快門並還可得益於下文所述的同步方法。
仍然參見圖1，可源於快門和讀出控制電路7且如果需要來自曝光控制項8的控制信號被提供至驅動器模式控制邏輯9。後者可包括產生開關模式控制信號的邏輯電路，該控制信號用於選擇或反映或指示是線性驅動部分11還是開關模式驅動部分12被用於驅動致動器4。當開關模式控制信號被認定時，使用開關模式驅動來驅動致動器4，並且當解除認定時，使用線性模式驅動。在一個實施方案中，開關模式控制信號有助於觸發對開關模式驅動部分12和線性模式驅動部分11的選擇。
線性驅動部分11可以是可例如使用連續電流源(在致動器為VCM的情況下)提供恆定線圈電流的任何合適的電路。相比之下，開關模式驅動部分12可包括功率開關電路，該功率開關電路使用開關穩壓器(例如基於脈寬調製的穩壓器)來驅動恆定線圈電流(隨時間平均)。在另一個實施方案中，開關模式驅動部分12可具有開關電路的組合，該開關電路對線圈電流的位於DC部件上的AC部件進行開關，其中DC電流由線性電流源提供。
線性驅動部分11和開關模式驅動部分12是所耦接的用於驅動致動器4的驅動器電路的一部分。該耦接由處於兩個位置中的一個位置的單刀雙擲開關表示，該兩個位置中的一個位置中，致動器4使用線性驅動部分11被驅動，並且在兩個位置中的另一個位置中，致動器4使用開關模式驅動部分12被驅動。關於使用何種類型的驅動這一決定是由驅動器模式控制電路9來作出的，該驅動器模式控制電路從快門和讀出控制邏輯7接收其輸入控制信號，如上所述，並且可選地從曝光控制單元8接收。在一個實施方案中，驅動器模式控制項9產生用於(在線性驅動部分11和開關模式驅動部分12之間)配置驅動器電路的開關模式控制信號。
被輸入至驅動器模式控制項9的控制信號可至少部分地限定圖像傳感器幀(圖像傳感器活動相對於時間)，該圖像傳感器幀針對每個正被捕獲的圖像而言進行重複(作為正被捕獲的數字圖像的給定序列的一部分)。驅動器模式控制項9基於傳感器幀的預先確定的部分來認定其輸出控制信號。以另一種方式來看，輸出控制與圖像傳感器幀的某些部分同步。當控制信號被認定時，開關模式驅動部分12被選擇以驅動致動器4，並且當控制信號被解除認定時，線性驅動部分11被選擇。
現在轉向圖2，這是針對電子滾動快門(ERS)圖像傳感器這一具體情況而言的示例性圖像傳感器幀結構相對於時間。該圖示出了在ERS的情況下組成圖像傳感器幀結構的不同的區間，然而，下文的概念也適用於全局快門圖像傳感器。該圖還示出了可如何相對於像素陣列2中的某個活動來限定圖像傳感器幀。在該特定的實施例中，圖像傳感器幀(n+1)被限定為以其正被認定的快門指針開始，從而開始逐行重置陣列2的像素的過程。需注意，這裡對「行」的標引是指「至少一行」，因為可能有由給定的控制信號(例如快門/重置指針)控制的不止一行。如由ERS所提供的，所述行因此由傾斜的快門指針線依次重置，從而如圖所示向上移動所述行。需注意，相比之下，全局快門會由在給定時間點處的基本上垂直的快門指針線示出，而不是由傾斜的線示出。
在由快門指針重置一行之後，使得所述行能夠在整合區間(憑藉曝光於來自場景的光)期間整合或累積光致電荷。一組一個或多個行可因此被允許同時整合，而後續的一組一個或多個行將在稍後的時間開始整合，使得如圖2所示獲得擴散效應。換句話講，整合區間實際上在整個行上隨時間擴散。在整合區間的終點，讀出指針被認定，其表示針對那組一個或多個行的整合已結束，並且因此讀出操作可隨後在那組繼續。讀出操作可包括由A/D轉換電路5對個人輸出像素信號的數位化(參見圖1)。在針對下一個或後續幀的正被認定的讀出指針和正被認定的快門指針之間的相對較短的時間間隔期間發生該轉換。圖像傳感器幀結構隨後針對下一個幀重複，以產生下一個捕獲圖像。
圖2還包含標籤，該標籤指示相應的傳感器幀的各個階段(部分或區間)對在那些區間期間由致動器產生的電氣噪聲的相對敏感度。需注意，該標籤僅用於解釋在圖3的ERS實施方案中對線性驅動還是開關模式驅動的選擇背後的推論，並且不旨在限制本發明的範圍，尤其是在全局快門的情況下。在ERS的情況下，(給定幀，例如幀n+1的)整合階段可位於對(給定幀的)「第一行」快門/重置指針的斷言和對(給定幀的)「最後一行」讀出指針的斷言之間。快門/重置階段可位於對(給定幀的)「第一行」快門/重置指針的斷言和對(給定幀的)「最後一行」快門/重置指針的斷言之間。(給定幀的)讀出階段可位於對(給定幀的)第一行讀出指針的斷言和對(給定幀的)最後一行讀出指針的斷言之間。對幀n+1的幀結構的限定針對前一幀n以及針對後續幀n+2進行重複。
(針對給定幀n+1的)整合階段的不與相鄰幀n和n+2的快門和讀出階段重合的部分可被視為低敏感度部分。相比之下，整個讀出階段被視為高敏感度部分(鑑於讀出通常涉及A/D轉換的相對噪聲敏感的操作這一事實)。位於前一幀n的高敏感度讀出階段和幀n+1的整合階段的低敏感度部分之間的是中敏感度區間。該區間位於幀n+1的快門階段的尾部部分和幀n+1的整合階段的中部部分之間的重疊處。然而，幀n+1的快門階段的頭部部分被視為高敏感度部分，因為其與前一幀n的讀出階段重疊。換句話講，由於這裡所述的ERS方法的擴散效應，快門階段中的一部分被視為中敏感度，而其中的另一部分被視為高敏感度，因為後者與前一幀的讀出階段重疊。類似地，整合階段中的一部分被視為低敏感度，而其中的另一部分被視為高敏感度，因為後者與後續幀的讀出階段重疊。
使用已被限定為幫助解釋開關模式驅動對線性模式驅動背後的基本原理的圖像傳感器幀結構的低敏感度區域、中敏感度區域和高敏感度區域，圖3和4示出了如何配置針對線性模式驅動對開關模式驅動的兩種不同的實施方案。一般來講，開關模式控制信號可被視為當被認定時指示應當使用開關模式驅動以及當被解除認定時指示應當使用線性驅動的控制信號。在實施方案圖3中，相應的傳感器幀的第一預先確定的部分是像素信號整合階段的一部分，在所述預先確定的部分期間，控制信號被認定，使得開關模式驅動部分12被選擇，在所述像素信號整合階段期間，成像傳感器像素陣列2中的一個或多個行被允許「整合」或累積光致電荷(由於來自場景的在傳感器像素陣列2上形成光學圖像的光)。相對於當線性驅動被用於整個圖像傳感器幀，這有助於改進相機功能的功率效率。當相機裝置是可攜式多功能消費電子設備例如智慧型電話或平板計算機的一部分時，所述功率改進尤為可取。相機裝置或者可為其他電子設備的一部分，包括作為專用相機設備(而不是多功能設備)的一部分。
儘管效率改進是重要的，但是開關設備的使用應當局限於圖像傳感器幀結構的被視為具有對由開關模式驅動部分12產生的電氣噪聲的低敏感度的區域。相比之下，當驅動致動器4時，線性驅動部分11由於其固有的線性操作模式電路而產生顯著較少的電氣噪聲，儘管導致了較低功效的相機。應當在傳感器幀的被預期為對本可由開關模式驅動產生的電氣噪聲高度敏感的部分期間使用線性驅動部分11。在一個實施方案中，傳感器幀的預先確定的部分是讀出階段的至少一部分(並且優選地為全部)，在該預先確定的部分期間，開關模式控制信號被解除認定(指示線性驅動部分11被使用)，在所述讀出階段中，已由於整合階段產生的像素信號從陣列中傳輸出去和/或由A/D轉換電路5數位化。在本發明的一個實施方案中，給定幀的讀出階段中的一部分或全部被視為對來自開關模式驅動部分12的電氣噪聲高度敏感，正因如此，區間被分配給線性驅動部分11。這在圖3和圖4的實施方案中均可見。因此，如兩圖所示，開關模式控制信號在讀出階段被解除認定。
需注意，在全局快門場景中，整個整合階段可被視為低敏感度區間，使得開關模式控制信號可在整個整合階段被認定。在那種情況下，快門/重置和讀出階段可被視為與整合階段相比更為敏感，意味著開關模式控制應當在那些階段被解除認定。
仍然首先參見圖3，在這種情況下，在中敏感度區域期間使用線性驅動，該中敏感度區域是幀n+1的快門/重置階段的尾部部分，而在整合階段的中部部分期間使用開關驅動。在這種情況下，整個讀出階段為線性驅動部分而保留。線性和開關驅動選擇的組合針對捕獲圖像的給定序列的後續幀和在前幀而重複。
應當注意，由於這裡使用的電子滾動快門方法，儘管每個幀具有其不與另一幀重疊的相應整合區間，但是快門階段和讀出階段的情況並非如此。實際上，對於幀n+1，其快門階段與幀n和n+1的讀出階段的一部分基本上重疊，而幀n+1的讀出階段與幀n+2的快門階段基本上重疊。
圖3還示出的是在針對與幀n、n+1、n+2對應的數字圖像序列的每個相應讀出階段的一部分期間，使用線性驅動電路來驅動致動器4。此外，在針對幀序列的每個相應的像素整合階段的一部分期間，使用開關模式驅動電路來驅動致動器4。然而，此外，圖3示出了如下實施方案，在該實施方案中，在數字圖像序列的每個相應快門/重置階段的一部分期間，使用線性驅動電路來驅動致動器4，即，在每個幀的起始處的中敏感度區間期間(當該幀在這種情況下被限定)。
應當注意，儘管每個幀在圖3中被限定為以前一幀的最後行讀出開始並以其自身的最後行讀出結束，但是具有限定每個幀的界限的其他方式。例如，幀n+1或者可被限定為以其第一行處的快門指針n+1開始並以其最後一行處的讀出指針n+1結束；將以類似方式限定幀n+2，從而將與後續幀的(相對於時間)重疊計入該限定。相比之下，圖3的實施方案以相鄰幀之間不具有重疊的方式來限定幀。然而，不管以何種方式限定幀的界限，低敏感度區間、中敏感度區間和高敏感度區間可如圖3所示保持相同，使得針對低敏感度區間、中敏感度區間和高敏感度區間中的每一者的線性驅動對開關模式驅動分配在那種情況下保持不變。例如，如果幀n+1被限定為以第一行處的快門指針開始，則其快門階段的一部分將是高敏感度區間，並因此將分配給線性驅動部分11，從而導致每個幀的整個快門/重置階段被分配給線性驅動。
相比於圖3的實施方案，圖4示出了另一個實施方案，在該另一個實施方案中，開關模式驅動的使用被延長，以實現改進的效率(而不顯著增加圖像噪聲偽影)。在此，開關模式驅動被使用的區間針對每個給定幀不僅包括整合階段(類似於圖3)的一部分，而且包括重置/快門階段的至少一部分。因此，開關模式控制信號保持被認定更長時間，從而在該情況下延長至中敏感度區域，該中敏感度區域為(相應傳感器幀的)快門/重置階段的尾部。換句話講，在針對所示數字圖像序列的每個相應的快門/重置階段的一部分期間，使用開關模式驅動電路來驅動致動器。
作出以下附加的發明簡述。在一個實施方案中，用於場景的數字圖像捕獲的方法包括：通過以下方式來使用具有像素傳感器陣列的成像傳感器電路產生數字圖像序列：針對圖像中的每個圖像而在操作的重置/快門階段中重置像素傳感器陣列、允許像素傳感器陣列在操作的整合階段將來自場景的光轉換為像素信號、以及在操作的讀出階段以數字形式讀出像素信號；機電致動器以線性模式和開關模式被驅動，同時產生數字圖像序列，其中致動器被耦接以移動：a)將光引導到像素傳感器陣列上的成像透鏡，或b)像素傳感器陣列；以線性模式對致動器的驅動與操作的讀出階段同步(例如，致動器在操作的讀出階段的全部期間以線性模式被驅動)，並且以開關模式對致動器的驅動與操作的整合階段同步，其中致動器在操作的整合階段的一部分或全部期間以開關模式被驅動。此類同步的實施例包括如下ERS實施方案。
首先，參見圖3，致動器可在操作的讀出階段的一部分而不是全部期間以線性模式被驅動(其中針對幀n+1的讀出指針正被更新以(例如依次)掃描像素陣列2的行)。在一個實施方案中，為了更好地減少噪聲，致動器在操作的讀出階段的全部期間以線性模式被驅動。在另一個實施方案中，同樣如圖3所示，在產生數字圖像序列的相同過程中，致動器同樣以線性模式被驅動，該驅動與操作的重置/快門階段同步，即，在重置/快門階段的一部分期間，其中快門/重置點正被更新以掃描正被重置的最後一組行。在另一個實施方案中，在操作的重置/快門階段的全部期間，即在快門/重置指針被更新以及掃描整個像素陣列2時，致動器可以線性模式被驅動，該驅動與重置/快門階段同步。
在另一個實施方案中，現在參見圖4，致動器同樣以開關模式被驅動，該驅動與操作的重置/快門階段同步，例如剛在讀出指針已掃描最後一行之後開始，並且經過正由下一幀的快門指針掃描的最後一行而繼續。
雖然已描述並且在附圖中示出了某些實施方案，但應當理解，此類實施方案僅用於說明廣義的發明而非對其進行限制，並且本發明並不限於所示和所述的特定構造和布置，因為對於本領域的普通技術人員而言可想到各種其它修改。例如，儘管圖1示出了致動器4被連接以移動透鏡3，例如作為自動對焦系統的一部分，但是上述技術也適用於移動傳感器像素陣列2的致動器，例如作為光學/機械穩像系統的一部分。因此，要將描述視為示例性的而非限制性的。