CN102045492B - 影像系统的信号链路 - Google Patents

Abstract

一种影像系统的信号链路，其包括三级电路。第一级电路包括可编程增益放大器(PGA)及黑阶补偿(BLC)电路所形成的黑阶补偿回路。第二级电路包括模拟至数字转换器(ADC)，其中一暗信号偏移加至模拟至数字转换器(ADC)的输入。第三级电路包括数字增益电路及数字回路，用以让影像系统的最终输出于黑阶补偿模式下可稳定于一目标位准。

Description

影像系统的信号链路

技术领域

本发明涉及影像感测器的信号链路(signal chain)，并且特别涉及一种黑阶补偿(black level compensation，BLC)及高增益信号链路的混合信号运算。

背景技术

半导体影像感测器(例如电荷耦合元件(CCD)或互补金属氧化半导体(CMOS)感测器)普遍使用于照相机或摄影机中，用以将可见光的影像转换为电子信号。

由于电子电路的非完美性质，使得影像感测器在未接收到任何光线的情形下仍然会具有漏电流。为了克服此问题，通常读取多列的光遮(light-shielded)像素或光学黑像素(optical black pixel)并取其平均作为光学黑阶参考(optical black reference)，用以进行黑阶补偿(BLC)。

图1显示影像感测器的信号链路1，其披露于美国专利申请第12/477,899号，题为“Black Level Compensation Circuit”，其申请人同于本专利申请的申请人。信号链路1于黑阶补偿模式中，使用黑阶补偿(BLC)电路10以补偿可编程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)12，使得所形成的回路1累积偏移值(offset value)而得以匹配模拟至数字转换器(ADC)14的零位准。信号链路1还包括具可变数字增益的数字增益电路16。

根据图1所示的信号链路1，数字增益电路16的最终输出于黑阶补偿模式时会趋近零位准。然而，此零位准的黑阶对于人眼会显得不真实。另外，当聚集有黑噪声时，所述零位准可能会造成饱和。再者，一般的模拟至数字转换器(ADC)14因为电路的非完美性及工艺的差异性，通常会具有电路偏移量。当高增益信号链路1具高增益的可编程增益放大器(PGA)12及高增益的数字增益电路16时，上述的问题将会变得更难控制。

因此，亟需提出一种新颖影像感测器的信号链路，用以获得一真实的黑阶输出。再者，此新颖信号链路，特别是高增益的信号链路，还能消除模拟至数字转换器(ADC)14的电路偏移量。

发明内容

鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种信号链路，其不受增益设定的影响，使得最终输出的非零光学黑阶对于人眼感知显得较为真实，且可以消除模拟至数字转换器(ADC)的电路偏移量。

根据本发明实施例，影像系统的信号链路包括三级电路。第一级电路包括可编程增益放大器(PGA)及黑阶补偿(BLC)电路所形成的黑阶补偿回路。第二级电路包括模拟至数字转换器(ADC)，其中一暗信号偏移加至模拟至数字转换器(ADC)的输入。第三级电路包括数字增益电路及数字回路，用以让影像系统的最终输出于黑阶补偿模式下可稳定于一目标位准。

根据本发明实施例之一，第三级电路的数字回路根据目标位准及数字增益电路的输出以产生一数字增益前目标位准(before-digital-gain targetlevel)，其值大约等于目标位准除以数字增益。

根据本发明另一实施例，第二级电路包括模拟偏移电路，其根据数字增益前目标位准及模拟至数字转换器(ADC)的输出以产生暗信号偏移，藉此模拟至数字转换器(ADC)的输出可稳定于数字增益前目标位准。

根据本发明又一实施例，第三级电路包括数字偏移电路，其接收最终输出及目标位准，用以产生一输出，其再加至数字增益电路的输出，藉此最终输出可稳定于目标位准。

根据本发明再一实施例，第二级电路包括模拟偏移电路，其根据数字暗平均数(digital dark mean)及模拟至数字转换器(ADC)的输出以产生暗信号偏移，藉此模拟至数字转换器(ADC)的输出可稳定于数字暗平均数。

根据本发明实施例的特征，使用热像素临界控制次系统，其根据模拟至数字转换器(ADC)的输出以决定一热像素临界值，并据以阻隔热像素信号。

附图说明

图1显示影像感测器的信号链路。

图2显示影像系统的信号链路。

图3A显示本发明第一实施例的影像系统的信号链路。

图3B显示图3A的模拟偏移电路的详细方块图。

图3C显示图3A的比较器/除法器的详细方块图。

图4显示本发明第二实施例的影像系统的信号链路。

图5显示本发明第三实施例的影像系统的信号链路。

图6显示本发明第四实施例的影像系统的信号链路。

图7显示本发明第五实施例的影像系统的信号链路。

【主要元件符号说明】

1     信号链路

2     影像系统

3     影像系统

4     影像系统

5     影像系统

6     影像系统

7     影像系统

10    黑阶补偿(BLC)电路

12    可编程增益放大器(PGA)

14    模拟至数字转换器(ADC)

16    可变数字增益的数字增益电路

20    黑阶补偿(BLC)电路

22    可编程增益放大器(PGA)

23    加法器

24    模拟至数字转换器(ADC)

26    数字增益电路

30    黑阶补偿(BLC)电路

31    加法器

32    可编程增益放大器(PGA)

33     模拟偏移电路

330    差值电路

332    积分器/数字至模拟转换器(DAC)

34     模拟至数字转换器(ADC)

35     加法器

36     数字增益电路

37     比较器/除法器

370    比较器

372    上数计数器

38     数字偏移电路

39     加法器

40     热像素临界控制次系统

400    临界统计逻辑

402    数字至模拟转换器(DAC)

404    回路1中断控制电路

50     热像素临界控制次系统

500    暗像素平均滤波器

502    模拟偏移电路

具体实施方式

图2显示影像系统2的信号链路，其包括黑补偿(BLC)电路20、可编程增益放大器(PGA)22、模拟至数字转换器(ADC)24及(可变)数字增益电路26。于影像系统2中，黑阶补偿(BLC)电路20、可编程增益放大器(PGA)22形成回路1，其(自光遮像素或光学黑像素)接收一黑阶信号并可使其输出位于零位准。为了让影像系统2的最终输出的光学黑阶参考对于人眼感知较为真实，因此在模拟至数字转换器(ADC)之前需要加入一暗信号偏移值(darksignal offset)，例如藉由加法器23加入，使得于黑阶补偿模式的最终输出具有非零的目标位准，其不会受到可编程增益放大器(PGA)22和数字增益电路26的增益设定的影响。再者，模拟至数字转换器(ADC)的电路偏移量也可同时被消除。上述的目标位准具有非零值。例如，对于十位系统的0至1023位阶，可将所述目标位准设于20处。

图3A显示本发明第一实施例的影像系统3的信号链路。影像系统3包括三级电路，其直接或间接地依序电性互相连接。第一级电路包括回路1，在本实施例中为模拟黑阶补偿回路，其将可编程增益放大器(PGA)32的输出回授至黑阶补偿(BLC)电路30，并将黑阶补偿(BLC)电路30的输出和(自光遮像素或光学黑像素的)黑阶信号，藉由加法器31，馈至可编程增益放大器(PGA)32的输入。第一级电路(或回路1)的实施可采用美国专利申请第12/477,899号，题为“Black Level Compensation Circuit”，其申请人同于本专利申请的申请人。

第二级电路包括回路2，其由模拟至数字转换器(ADC)34和模拟偏移电路33所组成。其中，模拟偏移电路33接收模拟至数字转换器(ADC)34及(自第三级电路)数字增益前目标位准(before-digital-gain target level)。根据此二输入，模拟偏移电路33因而决定出模拟至数字转换器(ADC)34的输入，使得模拟至数字转换器(ADC)的偏移量得以消除(或受到补偿)；特别的是，藉此得以决定出暗信号偏移值，使得最终输出可以达到(非零位准)目标位准。图3B显示本实施例的模拟偏移电路33的详细方块图。其中，模拟偏移电路33使用一差值电路330，其决定二输入的差值，藉以驱动一积分器332或数字至模拟转换器(DAC)以产生模拟至数字转换器(ADC)34的输入。所产生的输入连同第一级电路的输出一并(藉由加法器35)馈至模拟至数字转换器(ADC)34。

第三级电路包括回路3，其由数字增益电路36和比较器/除法器37所组成，其于黑阶补偿模式时藉由开关0闭合而形成回路3。其中，比较器/除法器37接收(自最终输出)目标位准和数字增益电路36的输出。根据此二输入，比较器/除法器37因而产生数字增益前目标位准，用以决定(第二级电路)模拟至数字转换器(ADC)34的输出。图3C显示本实施例的比较器/除法器37的详细方块图。其中，比较器/除法器37使用一比较器370以比较最终输出及目标位准。当最终输出大于目标位准时，比较结果会停止上数计数器(up counter)372的计数，因而产生数字增益前目标位准。值得注意的是，本实施例使用上数计数器372而非数字除法器，因为后者需占用较大电路面积。然而，在其他实施例中，也可使用数字除法器以取代上数计数器372。

根据影像系统3的架构，当可编程增益放大器(PGA)32的所需模拟增益及数字增益电路36的数字增益设定均完成且(平均)黑阶信号已收到时，则回路1和回路3将可独立运作，甚至可同时分别决定出回路2的输入及输出。根据所决定的结果，回路2即可累积所需偏移量以匹配目标位准。藉此，位于最终输出的(非零位准)光学黑参考对于人眼的感知将会较为真实，且可同时消除模拟至数字转换器(ADC)的电路偏移量。

图4显示本发明第二实施例的影像系统4的信号链路。本实施例的架构类似于第一实施例(图3A)架构，以下将说明其差异点。与前一实施例相同的方块将以相同符号表示。对于第二级电路，本实施例的模拟偏移电路33接收一数字暗平均数(digital dark mean)，而非数字增益前目标位准。所述数字暗平均数可以是模拟至数字转换器(ADC)34的预期输出，其可藉由实验获得或由使用者设定。

对于第三级电路，回路3并未涵盖数字增益电路36。本实施例的回路3将最终输出及目标位准连接至一数字偏移电路38，其输出则馈至一加法器39，其再连接至数字增益电路36的输出。数字偏移电路38的实施可类似于图3B所示的模拟偏移电路33。

根据影像系统4的架构，所有三个回路于黑阶补偿模式下均可独立运作，其中，开关1连接至零位准，回路2连接至数字暗平均数。换句话说，回路2并不需要等待回路3所提供的数字增益前目标位准。于补偿校正之后，第一级电路(或回路1)的输出接近零位准。第二级电路(或回路2)的输出接近数字暗平均数，其相当于模拟偏移电路33的输出。第三级电路(或回路3)的输出接近目标位准，其值相当于(数字暗平均数)*(数字增益)+(数字偏移电路38的输出)。相较于前一实施例(图3A)，本实施例的黑阶补偿运作速度较快，因为三个回路均可独立运作。再者，本实施例的黑阶补偿运作可消除量化误差，因为数字偏移电路38可精确匹配目标位准。

图5显示本发明第三实施例的影像系统5的信号链路。本实施例的架构类似于第二实施例(图4)架构，以下将说明其差异点，特别是第二级电路。与前一实施例相同的方块将以相同符号表示。

对于第二级电路，本实施例以模拟暗平均数(analog dark mean)直接馈至模拟至数字转换器(ADC)34前的加法器35，而非使用数字暗平均数，藉此可简化第二级电路。所述模拟暗平均数为模拟至数字转换器(ADC)34的预期输出，其值可大约等于数字暗平均数。类似的情形，模拟暗平均数可藉由实验获得或由使用者设定。本实施例的黑阶补偿运作类似于第二实施例，亦即，三个回路于黑阶补偿模式下可独立运作。本实施例所提供的简化架构将优于其他实施例，假设模拟至数字转换器(ADC)的偏移很小并局限于一范围内。

图6显示本发明第四实施例的影像系统6的信号链路。本实施例的架构基于图4架构再增加热像素(hot pixel)临界控制次系统40，用以处理因工艺非理想性所造成的热像素效应。与先前实施例相同的方块将以相同符号表示。

当三个回路稳定之后，各个暗像素信号(包括热像素)将输入至影像系统6。临界统计逻辑400(于数字领域)根据模拟至数字转换器(ADC)34的输出以决定出一适当的(数字)热像素临界值。所述决定的热像素临界值(藉由数字至模拟转换器(DAC)402)被转换为模拟形式。接着，此(模拟)热像素临界值及暗像素信号被馈至回路1中断控制电路404。当输入的暗像素信号的位准超过所述热像素临界值时，回路1中断控制电路404即控制开关3以断开回路1，因而阻挡热像素进入黑阶补偿(BLC)电路30。

图7显示本发明第五实施例的影像系统7的信号链路。本实施例的架构类似于第四实施例(图6)的架构，以下将说明其差异点。与前一实施例相同的方块将以相同符号表示。

在本实施例中，热像素临界控制次系统50包括暗像素平均滤波器500，其于数字领域将所有暗像素信号予以平均，但其根据一统计上的热像素临界值将热像素予以除外。所述热像素临界值根据模拟至数字转换器(ADC)34的输出来决定。

热像素临界控制次系统50还包括模拟偏移电路502，其类似于图4的模拟偏移电路33，其根据数字暗平均数及模拟至数字转换器(ADC)34的输出以提供输入给模拟至数字转换器(ADC)34。相较于图6，本实施例的像素临界控制次系统50运作于数字领域中。再者，本实施例的热像素控制不涉及可编程增益放大器(PGA)32的增益设定。

以上所述仅为本发明的优选实施例，其并非用以限定本发明的保护范围；其他在未脱离本发明所揭示的精神下所完成的所有等效修改或修饰，均应包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种影像系统的信号链路，包括：

一第一级电路，包括一可编程增益放大器(PGA)及一黑阶补偿(BLC)电路共同形成一黑阶补偿回路，其中所述可编程增益放大器(PGA)接收一黑阶信号，且所述黑阶补偿(BLC)电路补偿所述可编程增益放大器(PGA)；

一第二级电路，连接于所述第一级电路后面，所述第二级电路包括一模拟至数字转换器(ADC)，其中一暗信号偏移加至所述模拟至数字转换器(ADC)的一输入；及

一第三级电路，连接于所述第二级电路后面，所述第三级电路包括一数字增益电路，及一数字回路用以让所述影像系统的最终输出稳定于一目标位准。

2.如权利要求1所述的影像系统的信号链路，其中上述第一级电路的黑阶补偿(BLC)电路接收所述可编程增益放大器(PGA)的输出，且所述黑阶补偿(BLC)电路的输出及所述黑阶信号馈至所述可编程增益放大器(PGA)的输入。

3.如权利要求1所述的影像系统的信号链路，其中上述可编程增益放大器(PGA)的输出于黑阶补偿模式下趋近于零位准。

4.如权利要求1所述的影像系统的信号链路，其中上述第三级电路的数字回路根据所述目标位准及所述数字增益电路的输出以产生一数字增益前目标位准，其值大约等于所述目标位准除以所述数字增益电路的数字增益。

5.如权利要求4所述的影像系统的信号链路，上述第二级电路还包括一模拟偏移电路，其根据所述数字增益前目标位准及所述模拟至数字转换器(ADC)的输出以产生所述暗信号偏移，藉此所述模拟至数字转换器(ADC)的输出可稳定于所述数字增益前目标位准。

6.如权利要求1所述的影像系统的信号链路，上述第三级电路还包括一数字偏移电路，其接收所述最终输出及所述目标位准，用以产生一输出，其再加至所述数字增益电路的输出，藉此所述最终输出可稳定于所述目标位准。

7.如权利要求6所述的影像系统的信号链路，上述第二级电路还包括一模拟偏移电路，其根据一数字暗平均数及所述模拟至数字转换器(ADC)的输出以产生所述暗信号偏移，藉此所述模拟至数字转换器(ADC)的输出可稳定于所述数字暗平均数。

8.如权利要求7所述的影像系统的信号链路，还包括一热像素临界控制次系统，其根据所述模拟至数字转换器(ADC)的输出以决定一热像素临界值，并据以阻隔热像素信号。

9.一种影像系统，包括：

一第一级电路，包括一可编程增益放大器(PGA)及一黑阶补偿(BLC)电路共同形成一第一回路，其中所述可编程增益放大器(PGA)接收一黑阶信号，且所述黑阶补偿(BLC)电路补偿所述可编程增益放大器(PGA)；

一第二级电路，连接于所述第一级电路后面，所述第二级电路包括一模拟至数字转换器(ADC)及一模拟偏移电路共同形成一第二回路，其产生一暗信号偏移加至所述模拟至数字转换器(ADC)的一输入；及

一第三级电路，连接于所述第二级电路后面，所述第三级电路包括一数字增益电路及一比较器/除法器共同形成一第三回路，用以让所述影像系统的最终输出稳定于一目标位准，其中所述比较器/除法器根据所述目标位准及所述数字增益电路的输出以产生一数字增益前目标位准，其值大约等于所述目标位准除以所述数字增益电路的数字增益；

其中所述模拟偏移电路根据所述数字增益前目标位准及所述模拟至数字转换器(ADC)的输出以产生所述暗信号偏移，藉此所述模拟至数字转换器(ADC)的输出可稳定于所述数字增益前目标位准。

10.如权利要求9所述的影像系统的信号链路，其中上述第一级电路的黑阶补偿(BLC)电路接收所述可编程增益放大器(PGA)的输出，且所述黑阶补偿(BLC)电路的输出及所述黑阶信号馈至所述可编程增益放大器(PGA)的输入。

11.如权利要求9所述的影像系统的信号链路，其中上述的模拟偏移电路包括：

一差值电路，用以决定所述模拟至数字转换器(ADC)的输出和所述数字增益前目标位准的差值；及

一积分器或数字至模拟转换器(DAC)，其根据所述差值以产生所述暗信号偏移，用以加至所述模拟至数字转换器(ADC)的输入。

12.如权利要求9所述的影像系统的信号链路，其中上述的比较器/除法器包括：

一比较器，用以比较所述最终输出及所述目标位准；及

一上数计数器，用以产生所述数字增益前目标位准，其中，当所述最终输出大于所述目标位准时，则所述比较器的比较结果停止所述上数计数器的计数。

13.一种影像系统，包括：

一第一级电路，包括一可编程增益放大器(PGA)及一黑阶补偿(BLC)电路共同形成一第一回路，其中所述可编程增益放大器(PGA)接收一黑阶信号，且所述黑阶补偿(BLC)电路补偿所述可编程增益放大器(PGA)；

一第二级电路，连接于所述第一级电路后面，所述第二级电路包括一模拟至数字转换器(ADC)及一模拟偏移电路共同形成一第二回路，其产生一暗信号偏移加至所述模拟至数字转换器(ADC)的一输入，其中所述模拟偏移电路根据一数字暗平均数及所述模拟至数字转换器(ADC)的输出以产生所述暗信号偏移，藉此所述模拟至数字转换器(ADC)的输出可稳定于所述数字暗平均数；及

一第三级电路，连接于所述第二级电路后面，所述第三级电路包括一数字增益电路及一数字偏移电路，其中所述数字偏移电路接收一最终输出及一目标位准，用以产生一输出，其再加至所述数字增益电路的输出，藉此所述最终输出可稳定于所述目标位准。

14.如权利要求13所述的影像系统的信号链路，其中上述第一级电路的黑阶补偿(BLC)电路接收所述可编程增益放大器(PGA)的输出，且所述黑阶补偿(BLC)电路的输出及所述黑阶信号馈至所述可编程增益放大器(PGA)的输入。

15.如权利要求13所述的影像系统的信号链路，其中上述的模拟偏移电路包括：

一差值电路，用以决定所述模拟至数字转换器(ADC)的输出和所述数字暗平均数的差值；及

一积分器或数字至模拟转换器(DAC)，其根据所述差值以产生所述暗信号偏移，用以加至所述模拟至数字转换器(ADC)的输入。

16.如权利要求13所述的影像系统的信号链路，还包括一热像素临界控制次系统，其根据所述模拟至数字转换器(ADC)的输出以决定一热像素临界值，并据以阻隔热像素信号。

17.如权利要求16所述的影像系统的信号链路，其中上述的热像素临界控制次系统包括：

一临界统计逻辑，其根据所述模拟至数字转换器(ADC)的输出以决定一热像素临界值；

一数字至模拟转换器(DAC)，用以将所述热像素临界值自数字形式转换为模拟形式；及

一中断控制电路，当所述黑阶信号被决定为热像素时，所述中断控制电路即中断所述第一回路。

18.如权利要求16所述的影像系统的信号链路，其中上述的热像素临界控制次系统包括：

一暗像素平均滤波器，其于数字领域将所有所述暗像素信号予以平均，但其根据一统计上的热像素临界值将所述热像素信号予以除外，其中所述热像素临界值是根据所述模拟至数字转换器(ADC)的输出来决定的。

19.一种影像系统，包括：

一第一级电路，包括一可编程增益放大器(PGA)及一黑阶补偿(BLC)电路共同形成一黑阶补偿回路，其中所述可编程增益放大器(PGA)接收一黑阶信号，且所述黑阶补偿(BLC)电路补偿所述可编程增益放大器(PGA)；

一第二级电路，连接于所述第一级电路后面，所述第二级电路包括一模拟至数字转换器(ADC)，且一模拟暗平均数被加至所述模拟至数字转换器(ADC)的输入；及

一第三级电路，连接于所述第二级电路后面，所述第三级电路包括一数字增益电路及一数字偏移电路，其中所述数字偏移电路接收一最终输出及一目标位准，用以产生一输出，其再加至所述数字增益电路的输出，藉此所述最终输出可稳定于所述目标位准。

20.如权利要求19所述的影像系统的信号链路，其中上述第一级电路的黑阶补偿(BLC)电路接收所述可编程增益放大器(PGA)的输出，且所述黑阶补偿(BLC)电路的输出及所述黑阶信号馈至所述可编程增益放大器(PGA)的输入。

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