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功率技術/新能源  

針對拍照手機的高性能LED閃光燈

上網時間: 2009年12月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LED閃光燈  拍照手機  法拉電容 

網際網路是針對社交網路及圖片與視訊共享最受歡迎的媒介。以多媒體為核心的手機,正奪取以通話為主手機的市場佔有率,這將導致手機向更大尺寸,以及具有更高解析度的彩色顯示螢幕方向發展。這類顯示螢幕的背光功能,要求可攜式電池電源提供更大的電力。除顯示螢幕的變化外,行動手機還正變成一部高品質的數位相機,而且要求具備特殊照明功能,能夠在昏暗照明環境下進行攝影和照相。當然,該功能對電池峰值功率和能量的消耗也更多。

在以電池供電的應用中,廣泛採用LED技術為小型LCD提供照明。LED發出的白光穿過偏光片傳輸到LCD上,白光被阻擋或衰減,並轉送到RGB濾色片產生彩色光。

圖1:使用LM3554的相機閃光燈系統。
圖1:使用LM3554的相機閃光燈系統。

當在光線昏暗的條件下用手機拍照時,同樣的LED技術適用於為手機提供照明。圖1顯示了使用美國國家半導體LM3554的相機閃光燈系統級圖片,其中包含升壓DC/DC轉換器和兩個穩流器,能夠驅動一個或兩個高電流白色LED。這需要多亮的光線?閃光等燈部份將消耗多少電流?回答這些問題可以幫助設計員選擇適合的LED閃光燈裝置。

CMOS影像感測器的快門作業

目前的數位相機雖可以採用高解析度,但該技術很難被應用於手機。手機最重要的功能是撥打和接聽電話,不能因為相機功能而增大手機的成本、尺寸和功耗,使待機和通話時間縮短。CMOS影像感測器使用標準CMOS製程製成,透過在一個晶片上整合影像感應和數位訊號處理功能實現行動成像應用,並降低系統的尺寸和成本。此外,CMOS感測器符合手機應用中嚴格的功耗限制。CMOS影像感測器由覆蓋濾色片的二維畫素陣列組成,它們分別由一個光電二極體和幾個電晶體構成。影像由很多微小的彩色圖點組成,並透過在感光區域(即光電二極體)將物件的光轉換為電壓進行採集。穿過各二極體的光電流會合產生輸出電壓電平,這取決於落在畫素上的光量I。I與光強EV(單位:勒克司)和曝光時間t(單位:秒)相關,即:

在數位相機中,曝光時間由機械快門的開啟持續時間控制。機械快門既會增加手機成本又會使機身變得更加厚重,因此大多數CMOS影像感測器利用片上電子捲簾式快門替代了機械快門。

圖 2:捲廉式快門的作業。
圖 2:捲廉式快門的作業。

圖2顯示了具有捲廉式快門的CMOS影像感測器如何擷取影像。一訊框影像由N行組成,每行有M個畫素。從影像頂部開始依次讀取和重置每行畫素。在擷取影像時,在第一訊框忽略每個畫素的電壓,然後在第二訊框讀取和處理。陣列中的每個畫素在訊框持續時間內積聚入射光。當全部的N x M個畫素在同一時間內曝光,就擷取到全幅影像,這在兩訊框的間隔期內產生。這種快門機制被稱為‘全訊框結合’。但在某些情況下,需要縮短允許陣列中畫素積聚入射光的時間,但不改變訊框速率。這被稱為‘部份訊框結合’機制,可以透過在選擇讀取行之前重置指定行中的畫素實現。LED閃光裝置可以為影像擷取期提供恆定照明,因此可結合捲廉式快門使用,而氙氣閃光需要機械快門阻止環境光過度曝光影像。氙氣閃光持續僅不足毫秒,但間歇期間每行仍在積聚環境光。例如,如果訊框速率為30fps,則需要LED閃光燈為場地提供2 x 1/30sec=66ms的照明。具有捲廉快門模式CMOS成像器的閃光LED驅動器的工作方式如下:

1. 開啟閃光燈LED;

2. 重置流程逐行掃描影像;

3. 逐行依次讀取畫素;

4. 關閉閃光燈LED。


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