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CN114636469A - 可同步环境光闪烁的光传感器 - Google Patents

可同步环境光闪烁的光传感器 Download PDF

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CN114636469A
CN114636469A CN202110664639.XA CN202110664639A CN114636469A CN 114636469 A CN114636469 A CN 114636469A CN 202110664639 A CN202110664639 A CN 202110664639A CN 114636469 A CN114636469 A CN 114636469A
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CN
China
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signal
period
square wave
frame
count
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CN202110664639.XA
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陈子豪
李永作
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Pixart Imaging Inc
Original Assignee
Pixart Imaging Inc
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Abstract

一种包含光二极管、波形转换电路、像素阵列以及处理器的光传感器。光二极管检测环境光闪烁以产生弦波。波形转换电路将弦波转换为方波。处理器用于使用取样频率计数所述方波，并根据每个方波的计数值及计数周期内的多个方波的计数值变化判断是否良好地检测到环境光闪烁，并据以决定是否调整图像帧的获取相位。

Description

可同步环境光闪烁的光传感器
技术领域
本发明涉及一种光传感器，更特别涉及一种可将光传感器的帧率同步于环境光闪烁频率以消除环境光影响的光传感器。
背景技术
使用光传感器的动作检测装置是通过计算光传感器所获取的图像帧中的光强度变化来判断物体动作。然而，当此种动作检测装置在室内运作时，由于室内环境光有时是由荧光灯管所提供而因为电力系统的交流本质具有闪烁的情形，因此当光传感器的帧率不同步于环境光的闪烁频率时，则光传感器获取的图像帧的平均亮度也会出现明暗的变化，而可能导致错误判断动作的发生。环境光的闪烁频率是根据电力系统的交流频率而定。
例如参照图1所示，其显示已知光传感器相对于环境光变动获取图像帧的示意图。当光传感器在环境光最亮的时候获取图像帧1，则图像帧1的平均亮度最高；而当光传感器在环境光最暗的时候获取图像帧2，则图像帧2的平均亮度最低；图像帧3的平均亮度则介于图像帧1与图像帧2之间。图像帧1至图像帧3的强度变化会导致判断出错误的物体动作。
有鉴于此，本发明另提供一种当良好地检测到环境光闪烁时，可同步光传感器的帧率与环境光的闪烁频率的光传感器。
发明内容
本发明提供一种光传感器，其包含独立运作的光二极管用于检测环境光的闪烁脉冲，其数字后端根据所述闪烁脉冲判断是否良好地检测到环境光的起伏，且只有在确认为良好检测时才调整图像帧的帧率。
本发明提供一种包含光二极管、波形转换电路、像素阵列以及数位后端的光传感器。所述光二极管用于检测环境光闪烁以产生弦波信号。所述波形转换电路用于将所述弦波信号转换为方波信号。所述像素阵列用于根据帧信号获取图像帧。所述数位后端用于使用取样频率计数所述方波信号，并根据计数周期中每个方波信号的计数值及所述计数周期中的所有方波信号的多个计数值的一致性，产生用于调整所述帧信号的激活信号。
本发明还提供一种包含光二极管、波形转换电路、像素阵列以及数位后端的光传感器。所述光二极管用于检测环境光闪烁以产生弦波信号。所述波形转换电路用于将所述弦波信号转换为方波信号。所述像素阵列用于根据帧信号获取图像帧。所述数位后端用于在计数周期中计数每个方波信号的计数值；当判断所述每个方波信号的所述计数值介于两个预定阈值之间，且所述计数周期中的所有方波信号的多个计数值中的最大计数值与最小计数值的差值介于预设范围时，同步所述图像帧与所述环境光闪烁；及当判断并非所述计数周期中的所述每个方波信号的所述计数值均介于所述两个预定阈值之间，或所述多个计数值的所述最大计数值与所述最小计数值的所述差值超出所述预设范围时，不同步所述图像帧与所述环境光闪烁。
本发明还提供一种包含光二极管、波形转换电路、像素阵列以及数位后端的光传感器。所述光二极管用于检测环境光闪烁以产生弦波信号。所述波形转换电路用于将所述弦波信号转换为具有方波周期的方波信号。所述像素阵列用于根据帧周期获取图像帧。所述位后端用于在计数周期中使用取样频率计数每个方波信号的计数值；当所述帧周期等于所述方波周期且激活信号被产生时，调整所述计数周期的下一个计数周期的第二个图像帧的获取相位；及当所述帧周期等于所述方波周期的倍数且所述激活信号被产生时，调整所述计数周期的下一个计数周期的第一个图像帧的获取相位。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
图1是已知光传感器相对环境光变动获取图像帧的示意图；
图2是本发明实施例的光传感器的方框图；及
图3A至图3B是本发明某些实施例的光传感器的运行示意图。
附图标记说明
200 光传感器
21 光二极管
23 波形转换电路
25 像素阵列
27 数位后端
271 频率产生器
具体实施方式
本发明的光传感器适用于在具有闪烁频率的时变环境光下操作。当能够良好地检测到环境光闪烁时，才进行图像帧与闪烁频率的同步，以消除错误判断动作的情形。同时，为了减少进行无谓的调整，当无法良好地检测到环境光闪烁时，并不进行同步机制。本发明中，是否良好地检测到环境光闪烁是根据预定期间中检测到的环境光周期变化的稳定性来判断。
请参照图2所示，其为本发明实施例的光传感器200的方框示意图。光传感器200可内建于各式用于进行动作检测或导航的照相机或摄影机。光传感器200包含光二极管21、波形转换电路23、像素阵列25以及数字后端27，其中该数字后端27包含频率产生器271用于产生频率信号，例如产生64千赫的频率，但不限于此，其数值根据不同应用而定。
光二极管21用于检测环境光闪烁以产生并输出弦波信号。可以了解的是，当环境光不会闪烁，光二极管21不会输出弦波信号。一种实施方式中，光二极管21是位于像素阵列25以外的独立元件。另一种实施方式中，光二极管21为像素阵列25的至少一个像素，例如像素阵列25的至少一个边缘像素，但不限于边缘像素。当光二极管21由多个像素组成时，其输出则为所述多个像素的输出生数据(raw data)的总和或平均，该总和或平均例如由像素阵列25的电路计算。
波形转换电路23电性连接光二极管21，用于将所述弦波信号转换为方波信号，其具有方波周期PFL，例如参照图3A及图3B。当光二极管21良好地检测到荧光灯管的光变化时，方波周期PFL例如大约是1/100秒或1/120秒。本发明的波形转换电路23可使用已知的弦波-方波(sine-to-square)波形转换电路。例如，一种常用的弦波-方波的转换技术是将交流弦波的波形提供至CMOS反向器或提供至比较器的一个输入端，但不限于此。本发明中，方波信号可用于评定在计数周期中是否良好地检测到环境光闪烁，例如图3A显示有良好的计数周期而图3B显示有良好及不良的计数周期。
像素阵列25例如是CMOS图像传感器的像素阵列，并包含多个像素电路。像素阵列25用于根据帧信号(frame tick)获取图像帧，其中所述帧信号用于决定获取图像帧的帧周期。例如，像素阵列25相对每个帧信号获取一个图像帧，或每隔多个帧信号(例如10个，但不限于)获取一个图像帧，根据不同应用而定。
数位后端27例如是数字信号处理器(DSP)、微处理单元(MCU)或特定应用集成电路(ASIC)。数位后端27使用取样频率(例如由频率产生器271所产生)计数波形转换电路23输出的方波信号，并根据一个计数周期中每个方波信号的计数值及所述计数周期中的所有方波信号的多个计数值的一致性(consistency)，产生用于调整所述帧信号的激活信号。本发明中，一个计数周期包含多个方波信号，以在预定期间(例如计数周期)中评价是否良好地检测到环境光闪烁。例如，当一个计数周期配置为100个(相对50赫兹的交流电力系统)或120个(相对60赫兹的交流电力系统)方波信号的方波周期PFL时，所述预定期间为1秒，但并不以此为限。所述方波周期的长度可手动选择，例如通过按压按键或人机接口选单决定；或根据每个方波信号的计数值量测而得，例如相邻方波脉冲的降缘或升缘之间的计数值。
本发明中，为了说明的目的，假设电力系统的交流频率为50赫兹、频率产生器271产生64千赫的取样频率且计数周期配置为100个方波周期，例如图3A及图3B所示的N＝100，但并不限于此。其他实施方式中，对应频率产生器271的时钟频率及电力系统的交流频率，N可设置成其他数值。
请参照图3A及图3B所示，其显示本发明某些实施例的光传感器200的运作示意图，其中，图3A显示同步运作开始后的运作，例如数字后端27的调整引擎(其例如利用硬件和/或固件实现)接收到开始运作的信号(例如过按压按键或执行应用软件所产生)，例如显示信号水位从低水位转换为高水位。在同步运作开始后，光二极管21开始输出弦波信号至波形转换电路23以产生并输出方波信号至数字后端27。数字后端27在计数周期中使用取样频率计数每个方波信号以相对所述每个方波信号得到计数值。然而，光二极管21在同步运作开始前是否输出弦波信号并无特定限制。
图3B则显示检测到不良方波信号的情形，例如PFL_Failed显示不稳定的方波周期。
首先，数位后端27先判断每个计数周期中，环境光闪烁是否具有良好的一致性(consistency)，以确认是否进行帧率调整。
当数位后端27判断一个计数周期(例如图3A的第一个计数周期)中的方波信号具有高一致性，则在下一个计数周期(例如图3A的第二个计数周期)产生激活信号以在所述下一个计数周期调整帧信号的相位(即调整帧率)，以使得像素阵列25获取图像帧同步于环境光闪烁。例如，图3A中显示每个计数周期均良好地检测到环境光闪烁，因此在第二个及第三个计数周期均产生激活信号。
图3A中，第一个计数周期之前没有计数结果，因此数位后端27在其内不产生激活信号也不进行同步调整，例如显示为OFF。更详言之，本发明并不在改变调整引擎的信号水位时直接开始同步机制。
当数位后端27判断一个计数周期中的方波信号具有低一致性，则在所述一个计数周期的下一个计数周期不产生激活信号，也不在所述下一个计数周期进行图像帧与环境光闪烁之间的同步。例如，图3B中显示第二个计数周期中没有良好地检测到环境光闪烁，因此在第三个计数周期并未产生激活信号。本发明中，激活信号的升缘配置成与前一个计数周期的最后一个方波信号的降缘同相位。激活信号除了用于控制是否进行图像帧与环境光闪烁的同步，还可作为参考信号和帧信号的比对基础。
本发明中，数字后端27通过两个条件判断方波信号的一致性的高低。第一个条件是，数位后端27判断一个计数周期中的每个方波信号的计数值是否均介于两个预定阈值之间。如前所述，当数位后端27是以64千赫的取样信号计数100赫兹的方波信号时，理想状况下一个方波信号应包含640个计数。本发明中，第一阈值例如配置为64千赫/90赫兹＝711；而第二预值例如配置为64千赫/110赫兹＝581。根据不同的灵敏度要求，第一阈值及第二预值可设定较高或较低，上述数值仅用以说明而并非用以限定本发明。
第二个条件是，数位后端27判断一个计数周期中的全部计数值(例如图3A及图3B显示为N＝100)中的最大计数值与最小计数值的差值介于预设范围。例如，当该预设范围设定为640的±1％时，则所述预设范围为6个计数值。同理，根据不同的灵敏度要求，预设范围可设定为较宽或较窄。
本发明中，当数位后端27判断一个计数周期中的每个方波信号的计数值均介于两个预定阈值(例如上述的581及711)之间，且所述一个计数周期中的所有计数值中的最大计数值与最小计数值的差值介于预设范围(例如6个计数值)时，则表示具有高一致性而在所述一个计数周期的下一个计数周期产生激活信号以同步图像帧与环境光闪烁。另一种实施方式中，当数位后端27判断所述一个计数周期中只有预定数目(例如2个，但不限于)的方波信号的计数值不介于所述两个预定阈值之间时，仍判定所述一个计数周期具有高一致性。
此外，当数位后端27判断一个计数周期中并非每个方波信号(或超出所述预定数目)的计数值均介于所述两个预定阈值之间，或所述一个计数周期中的所有计数值的最大计数值与最小计数值的差值超出所述预设范围时，则表示具有低一致性而在所述一个计数周期的下一个计数周期不产生所述激活信号且不同步图像帧与环境光闪烁。
例如，图3A的第二个及第三个计数周期及图3B的第一个及第二个计数周期均进行同步程序(例如显示ON)而图3B的第三个计数周期不进行同步程序(例如显示OFF)。
在方波信号的一致性判断结束后，数字后端27才进行同步机制。
数字后端27另外在每个计数周期可选择产生一个参考信号，图3A及图3B显示该参考信号的升缘与同一个计数周期的第一个方波信号的升缘同相位。当数字后端27判断一个计数周期的方波信号具有高一致性，则计算参考信号与同一个计数周期(即所述一个计数周期的下一个计数周期)的第一个帧信号之间的时间偏移|T1-T2|，以根据该时间偏移|T1-T2|调整所述下一个计数周期的第二个帧信号与所述第一个帧信号之间的第一周期P1。更详言之，时间偏移|T1-T2|表示帧信号与环境光闪烁的方波信号之间的时间差，数字后端27根据所述时间偏移|T1-T2|调整像素阵列25的取像相位，例如图3A显示第二个计数周期的第二个帧信号的取像相位被延后以同步于第二个方波信号，即N＝2。
一种实施方式中，数字后端27计算所述下一个计数周期中，参考信号与激活信号之间的第一时间差T1、所述第一个帧信号与所述激活信号之间的第二时间差T2以及计算第一时间差T1与第二时间差T2之间的差值|T1-T2|以作为所述时间偏移。如图3A的第二个计数周期所示，P1＝Ps+|T1-T2|，其中，Ps为所述下一个计数周期的所述第二个帧信号以后的帧信号的接续周期，该接续周期显示为1个所述方波信号的方波周期，例如取样频率每640次振荡产生一个帧信号。
更详言之，本发明中，数字后端27只有当一个计数周期的方波信号具有高一致性时，才调整所述一个计数周期的下一个计数周期的第一个帧信号与第二个帧信号之间的期间，亦即第一周期P1，且第二个帧信号以后的帧信号的接续周期Ps配置成相等于方波周期。此外，当一个计数周期的方波信号不具有高一致性时，下一个计数周期的第一个帧信号与第二个帧信号之间的第一周期P1则配置成等于接续周期Ps，如图3B的第三个计数周期。
如前所述，像素阵列25可相对每个帧信号或每隔多个帧信号获取一个图像帧。因此，像素阵列25获取图像帧的帧周期可等于方波信号的方波周期或等于所述方波周期的倍数，其中该倍数例如为大于1的正整数，但不限于整数。如前所述，由于数字后端27是调整被计数周期之后的下一个计数周期的第二个帧信号。因此，当所述帧周期等于所述方波周期且激活信号被产生时，数字后端27调整下一个计数周期的第二个图像帧(其对应于第2个帧信号)的获取相位。然而，当所述帧周期等于所述方波周期的倍数(例如10倍)且所述激活信号被产生时，数字后端27调整下一个计数周期的第一个图像帧(其对应于第10个帧信号)的获取相位，亦即当第2个帧信号的脉冲时间被调整，其后的其他脉冲时间也同时被调整。
一种实施方式中，当参考信号的升缘与同一个计数周期的第一个方波信号的升缘同相位时，数字后端27可以不产生参考信号而直接将同一个计数周期的第一个方波信号的升缘直接作为参考信号。其他实施方式中，参考信号被产生且对应于同一个计数周期的第一个方波信号的其他相位或其他方波信号，只要在每个计数周期中与方波信号具有固定的相位关系即可。
本发明的同步程序可通过下列步骤进行检验：(1)将本发明实施例的光传感器200操作于具有固定闪烁频率的光源(例如荧光灯管)下并检查像素阵列25的帧率是否稳定的同步于所述固定闪烁频率；(2)交错的遮蔽及不遮蔽荧光灯管以在检测信号(例如前述的方波信号)中造成噪声，并确认像素阵列25的帧率是否保持稳定；如前所述，本发明只有在预定期间内良好地检测到环境光闪烁时才会执行同步程序，如果帧率在存在噪声时仍然变化，表示本发明的同步程序未正常执行；(3)关闭荧光灯管并确认像素阵列25的帧率是否维持与荧光灯管未关闭之前相同；如前所述，本发明的像素阵列25的帧率在荧光灯管关闭后应保持相同的帧率，如果帧率在荧光灯管关闭后发生变化，表示本发明的同步程序未正常执行。
可以了解的是，若取样频率不变而当环境光的闪烁频率改变时，例如从100赫兹改变为120赫兹，每个PFL的计数值及Ps的长度相应地改变。可以了解的是，本发明说明中的所有数值仅用于说明，而非用于限定本发明。
综上所述，已知的动作传感器会受到环境光闪烁的影响而可能出现错误动作判断的情形。因此，本发明另提供一种光传感器(参照图2)及其运行方法(参照图3A至图3B)，其在判断良好地检测到环境光闪烁时才产生激活信号来计算调整帧信号的相位，以进行图像帧与环境光闪烁的同步。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种光传感器，该光传感器包含：
光二极管，该光二极管用于检测环境光闪烁以产生弦波信号；
波形转换电路，该波形转换电路用于将所述弦波信号转换为方波信号；
像素阵列，该像素阵列用于根据帧信号获取图像帧；以及
数位后端，该数位后端用于使用取样频率计数所述方波信号，并根据计数周期中每个方波信号的计数值及所述计数周期中的所有方波信号的多个计数值的一致性，产生用于调整所述帧信号的激活信号。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述光二极管与所述像素阵列分离。
3.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述光二极管是所述像素阵列的至少一个边缘像素。
4.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述计数周期包含100个或120个所述方波信号的方波周期。
5.根据权利要求1所述的光传感器，其中，
当所述数位后端判断所述每个方波信号的所述计数值介于两个预定阈值之间，且所述多个计数值中的最大计数值与最小计数值的差值介于预设范围时，则表示所述所有方波信号具有高一致性而产生所述激活信号，及
当所述数位后端判断并非所述每个方波信号的所述计数值均介于所述两个预定阈值之间，或所述多个计数值中的所述最大计数值与所述最小计数值的所述差值超出所述预设范围时，则表示所述所有方波信号具有低一致性而不产生所述激活信号。
6.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述数位后端还用于：
计算参考信号与所述激活信号之间的第一时间差，
计算所述计数周期的下一个计数周期的第一个帧信号与所述激活信号之间的第二时间差，及
计算所述第一时间差与所述第二时间差之间的时间偏移，以根据该时间偏移调整所述下一个计数周期的第二个帧信号与所述第一个帧信号之间的第一周期。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，
所述参考信号的升缘与所述下一个计数周期的第一个方波信号的升缘同相位；及
所述激活信号的升缘与所述计数周期的最后一个方波信号的降缘同相位。
8.根据权利要求6所述的传感器，其中所述下一个计数周期的所述第二个帧信号以后的所述帧信号的接续周期配置为一个所述方波信号的方波周期。
9.一种光传感器，该光传感器包含：
光二极管，该光二极管用于检测环境光闪烁以产生弦波信号；
波形转换电路，该波形转换电路用于将所述弦波信号转换为方波信号；
像素阵列，该像素阵列用于根据帧信号获取图像帧；以及
数位后端，该数位后端用于：
在计数周期中计数每个方波信号的计数值，
当判断所述每个方波信号的所述计数值介于两个预定阈值之间，且所述计数周期中的所有方波信号的多个计数值中的最大计数值与最小计数值的差值介于预设范围时，同步所述图像帧与所述环境光闪烁，及
当判断并非所述计数周期中的所述每个方波信号的所述计数值均介于所述两个预定阈值之间，或所述多个计数值的所述最大计数值与所述最小计数值的所述差值超出所述预设范围时，不同步所述图像帧与所述环境光闪烁。
10.根据权利要求9所述的光传感器，其中所述光二极管为所述像素阵列的至少一个边缘像素。
11.根据权利要求9所述的光传感器，其中所述计数周期包含100个或120个所述方波信号的方波周期。
12.根据权利要求9所述的光传感器，其中所述数位后端还产生激活信号以控制是否执行同步所述图像帧与所述环境光闪烁。
13.根据权利要求12所述的光传感器，其中所述数位后端还用于：
计算参考信号与所述计数周期的下一个计数周期的第一个帧信号之间的时间偏移，以根据该时间偏移调整所述下一个计数周期的第二个帧信号与所述第一个帧信号之间的第一周期。
14.根据权利要求13所述的光传感器，其中，
所述参考信号的升缘与所述下一个计数周期的第一个方波信号的升缘同相位；及
所述激活信号的升缘与所述计数周期的最后一个方波信号的降缘同相位。
15.根据权利要求13所述的光传感器，其中所述下一个计数周期的所述第二个帧信号以后的所述帧信号的接续周期配置为一个所述方波信号的方波周期。
16.一种光传感器，该光传感器包含：
光二极管，该光二极管用于检测环境光闪烁以产生弦波信号；
波形转换电路，该波形转换电路用于将所述弦波信号转换为具有方波周期的方波信号；
像素阵列，该像素阵列用于根据帧周期获取图像帧；以及
数位后端，该数位后端用于：
在计数周期中使用取样频率计数每个方波信号的计数值，
当所述帧周期等于所述方波周期且激活信号被产生时，调整所述计数周期的下一个计数周期的第二个图像帧的获取相位，及
当所述帧周期等于所述方波周期的倍数且所述激活信号被产生时，调整所述计数周期的下一个计数周期的第一个图像帧的获取相位。
17.根据权利要求16所述的光传感器，其中当所述数位后端判断所述每个方波信号的所述计数值介于两个预定阈值之间，且所述计数周期中的所有方波信号的多个计数值中的最大计数值与最小计数值的差值介于预设范围时，所述激活信号被产生。
18.根据权利要求16所述的光传感器，其中所述数位后端还用于：
产生用于决定所述帧周期的帧信号，
当所述帧周期等于所述方波周期时，控制所述像素阵列相对每个所述帧信号获取一个图像帧，
当所述帧周期等于所述方波周期的倍数时，控制所述像素阵列每隔所述倍数的多个帧信号获取一个图像帧，及
计算参考信号与所述计数周期的下一个计数周期的第一个帧信号之间的时间偏移，以根据该时间偏移调整所述下一个计数周期的第二个帧信号与所述第一个帧信号之间的第一周期。
19.根据权利要求18所述的光传感器，其中，
所述参考信号的升缘与所述下一个计数周期的第一个方波信号的升缘同相位；及
所述激活信号的升缘与所述计数周期的最后一个方波信号的降缘同相位。
20.根据权利要求18所述的光传感器，其中所述下一个计数周期的所述第二个帧信号以后的所述帧信号的接续周期配置为一个所述方波信号的方波周期。
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