TW201914292A

TW201914292A - 影像感測器的影像處理系統及方法

Info

Publication number: TW201914292A
Application number: TW106128572A
Authority: TW
Inventors: 孫永澈; 金廣國; 歐翰碩
Original assignee: 恆景科技股份有限公司
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-04-01
Also published as: TWI678108B

Abstract

一種影像感測器的影像處理系統，包含類比至數位轉換單元，對像素信號執行類比至數位轉換，以產生數位像素信號；相關雙重取樣單元，對數位像素信號執行相關雙重取樣；黑階預估單元，根據預估光學黑像素經執行數位相關雙重取樣所得到的暗電壓以產生負偏移電壓，像素信號減去負偏移電壓之後饋至類比至數位轉換單元；及黑階補償單元，對主動像素感測元件及補償光學黑像素執行黑階補償。

Description

影像感測器的影像處理系統及方法

本發明係有關一種影像感測器，特別是關於一種具改良信號鏈(signal-chain)動態範圍的行平行(column-parallel)影像感測器。

影像感測器(例如互補金屬氧化物半導體影像感測器)係一種將光學影像轉換為電子信號的裝置。影像感測器普遍使用於各類應用，例如行動電話或相機。互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器可使用於嚴苛的應用，例如汽車及保全。

即使沒有光線照射，仍然會有暗電流通過互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的光二極體。由於暗電流會依溫度的上升而呈指數增加，因此於高溫時(例如高於攝氏60度)，暗電流會成為重要的雜訊源，使得輸出影像變為飽和。即使使用傳統的黑階補償(black level compensation)機制，也無法辨識輸出影像。

鑑於傳統影像感測器於高溫時無法有效運作，因此亟需提出一種適用於高溫且具改良信號鏈動態範圍的新穎影像感測器。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種影像感測器，基於黑階預估(black level estimation)，於高溫時可有效增進信號鏈動態範圍。

根據本發明實施例，影像感測器的影像處理系統包含像素陣列、類比至數位轉換單元、相關雙重取樣單元、黑階預估單元及黑階補償單元。像素陣列提供像素信號，該像素陣列包含主動像素感測元件(APS)、補償光學黑像素(OBP)及預估光學黑像素。類比至數位轉換單元對像素信號執行類比至數位轉換，以產生數位像素信號。相關雙重取樣單元對數位像素信號執行相關雙重取樣。黑階預估單元根據預估光學黑像素經執行數位相關雙重取樣所得到的暗電壓以產生負偏移電壓，該像素信號減去該負偏移電壓之後饋至類比至數位轉換單元。黑階補償單元對主動像素感測元件及補償光學黑像素執行黑階補償。

第一圖顯示行平行(column-parallel)影像感測器100的方塊圖，例如互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。影像感測器100可包含像素陣列11，其包含排列為矩陣形式的複數像素110。像素陣列可包含複數主動像素感測元件(APS)111及複數光學黑像素(OBP)112。主動像素感測元件(APS)111接收入射光，然而光學黑像素(OBP)112被阻擋而不會接收入射光。光學黑像素(OBP)112係作為黑階補償(black level compensation, BLC)，其細節將於後續說明。

第二圖例示第一圖的像素110的電路圖。像素110可包含光二極體PD、重置電晶體RX、傳送電晶體TX、源極隨耦電晶體SF及選擇電晶體SX，其連接為圖示的四電晶體架構。當重置電晶體RX開啟時，於浮動擴散節點FD定義重置電壓，其大小為電源電壓VDD減重置電晶體RX的壓降。當傳送電晶體TX開啟時，光二極體PD所累積的光信號可藉由浮動擴散節點FD而傳送。開啟源極隨耦電晶體SF以緩衝或放大光二極體PD的光信號。當選擇電晶體SX開啟時，可經由位元線BL而從像素陣列11讀出像素信號。

參閱第一圖，影像感測器100的像素陣列11可包含電流汲取列13，其包含複數電流汲取(current sink)電路131，分別耦接至選擇電晶體SX的輸出節點，如第二圖所例示。電流汲取電路131(例如電流源)耦接於選擇電晶體SX的輸出節點與地之間，作為偏壓電路，用以從選擇電晶體SX的輸出節點汲取電流。

影像感測器100可包含列解碼器12，其每次選擇像素陣列11當中的一列，用以讀出被選擇列的像素信號。

第一圖的影像感測器100可採用單斜率(single-slope)行平行(column-parallel)類比至數位轉換機制，用以將像素信號從類比形式轉換為數位形式。類比至數位轉換機制可包含一組比較器14。每一比較器14耦接以接收像素陣列11的相應像素信號，以及接收斜坡(ramp)產生器15所產生的斜坡信號Vramp。類比至數位轉換機制可包含一組計數器16，其耦接以分別接收比較器14的比較結果，且接收計數時脈。類比至數位轉換機制可更包含一組記憶裝置17，其耦接以分別接收計數器16的計數值。儲存於記憶裝置17的資料可由數位影像處理器(未顯示)來處理，以產生數位影像輸出。比較器14、計數器16及記憶裝置17主要建構出影像感測器100的信號鏈的像素讀出電路。

第三圖例示第一圖之影像感測器100執行相關雙重取樣(CDS)的時序圖。於重置期間，浮動擴散節點FD(第二圖)的重置電壓Vrst被取樣並饋至相應比較器14。當斜坡信號Vramp於時間t1開始產生時，計數器16則開始計數。當比較器14(於時間t2)偵測到斜坡信號Vramp與像素信號兩者相等的交叉點時，計數器16即停止計數。值得注意的是，重置期間的計數值包含(比較器相關的)偏移電壓與重置電壓Vrst，圖式當中的重置電壓Vrst為負值。

於信號期間，光二極體PD的光信號Vsig加上浮動擴散節點FD的重置電壓Vrst被取樣並饋至相應的比較器14，圖式當中的光信號Vsig為負值。當斜坡信號Vramp於時間t3開始產生時，計數器16則開始計數。當比較器14(於時間t4)偵測到斜坡信號Vramp與像素信號兩者相等的交叉點時，計數器16即停止計數。值得注意的是，信號期間的計數值包含偏移電壓與重置電壓Vrst(相同於重置期間)，且更包含光信號Vsig與暗電壓，其中暗電壓係由光二極體PD的暗電子(或暗電流)所造成。

第四圖顯示影像感測器(例如互補金屬氧化物半導體影像感測器)的影像處理系統400的方塊圖。影像處理系統(以下簡稱系統400)可包含類比至數位轉換(ADC)單元41，用以對接收自像素陣列11的像素信號執行類比至數位轉換。系統400可包含相關雙重取樣(CDS)單元42，用以對ADC單元所產生的數位像素信號執行相關雙重取樣(例如數位相關雙重取樣或DDS)，藉以除去偏移電壓及重置電壓，因而產生相關像素信號。系統400還可包含黑階補償(BLC)單元43，用以去除暗電壓，因而產生補償像素信號。於另一例子中，CDS單元42位於ADC單元41之前，因此於執行類比至數位轉換前，先對像素信號執行(類比)相關雙重取樣。

詳而言之，於重置期間，ADC單元41首先處理像素陣列11的光學黑像素(OBP)112(第一圖)，因而產生第一數位像素信號，其包含偏移電壓與重置電壓。接著，於信號期間，ADC單元41處理光學黑像素(OBP)112，因而產生第二數位像素信號，其包含偏移電壓、重置電壓與暗電壓。CDS單元42將第二數位信號減去第一數位信，因而產生暗電壓(但不包含偏移電壓與重置電壓)。所產生的暗電壓暫存於BLC單元43當中的光學黑像素(OBP)次單元431。

類似的情形，於重置期間，ADC單元41首先處理像素陣列11的主動像素感測元件(APS)111(第一圖)，因而產生第三數位像素信號，其包含偏移電壓與重置電壓。接著，於信號期間，ADC單元41處理主動像素感測元件(APS)111，因而產生第四數位像素信號，其包含偏移電壓、重置電壓、暗電壓與光信號。CDS單元42將第四數位信號減去第三數位信，因而產生暗電壓與光信號(但不包含偏移電壓與重置電壓)。所產生的暗電壓與光信號暫存於BLC單元43當中的主動像素感測元件(APS)次單元432。

最後，BLC單元43的減法器433將儲存於APS次單元432的暗電壓與光信號減去儲存於OBP次單元431的暗電壓，因而產生補償像素信號，其不含有暗電壓。黑階補償可表示為： (‘暗電壓+光信號’)_APS -(‘暗電壓’)_OBP =光信號

藉此，黑色的補償像素信號的值可非常接近數位零值。相反地，若未進行黑階補償，則黑色的相關像素信號看起來為灰色。甚者，光二極體PD的暗電流會依溫度的上升而呈指數增加。

第五圖例示第一圖之影像感測器100執行相關雙重取樣(CDS)的另一時序圖。於高溫情形下，比較器14無法偵測到斜坡信號Vramp與像素信號的交叉點，且計數器16造成溢位(overflow)。此外，隨著溫度上升，OBP次單元431與APS次單元432需要使用更多儲存空間或更多位元。為了克服系統400的缺點，以下提出一種新穎的系統。

第六圖顯示本發明實施例之行平行(column-parallel)影像感測器600(例如互補金屬氧化物半導體影像感測器)的方塊圖。影像感測器600可包含像素陣列11，其包含排列為矩陣形式的複數像素110。在本實施例中，像素陣列可包含複數主動像素感測元件(APS)111、複數補償光學黑像素(OBP)112及複數預估光學黑像素(OBP)113。主動像素感測元件(APS)111接收入射光，然而補償光學黑像素(OBP)112及預估光學黑像素(OBP)113被阻擋而不會接收入射光。補償光學黑像素(OBP)112係作為黑階補償，如前所述，而預估光學黑像素(OBP)113則作為黑階預估，其細節將於後續說明。

類似於第一圖，影像感測器600可包含列解碼器12，其每次選擇像素陣列11當中的一列，用以讀出被選擇列的像素信號。影像感測器600可包含電流汲取列13，其包含複數電流汲取電路131，分別耦接至選擇電晶體SX的輸出節點，如第二圖所例示。電流汲取電路131(例如電流源)耦接於選擇電晶體SX的輸出節點與地之間，作為偏壓電路，用以從選擇電晶體SX的輸出節點汲取電流。

本實施例之影像感測器600可採用單斜率行平行(column-parallel)類比至數位轉換機制，用以將像素信號從類比形式轉換為數位形式。類比至數位轉換機制可包含一組比較器14。每一比較器14耦接以接收像素陣列11的相應像素信號，以及接收斜坡(ramp)產生器15所產生的斜坡信號Vramp。類比至數位轉換機制可包含一組計數器16，其耦接以分別接收比較器14的比較結果，且接收計數時脈。類比至數位轉換機制可更包含一組記憶裝置17，其耦接以分別接收計數器16的計數值。儲存於記憶裝置17的資料可由數位影像處理器(未顯示)來處理，以產生數位影像輸出。

根據本實施例的特徵之一，影像感測器600可包含黑階預估(black level estimation, BLE)單元18，其根據相關雙重取樣(例如對預估光學黑像素(OBP)113執行的數位相關雙重取樣)的輸出以產生負偏移電壓Neg_offset。負偏移電壓Neg_offset被饋至比較器14，用以抵消像素信號的暗電壓。

第七圖顯示本發明實施例之影像感測器(例如互補金屬氧化物半導體影像感測器)的影像處理系統700的方塊圖。第七圖的方塊可使用硬體(例如電路)或軟體(例如執行於數位信號處理器)來實施。方塊11、41、42、43已於第四圖討論過，其細節不再贅述。在本實施例中，影像處理系統700(以下簡稱系統700)可包含黑階預估(BLE)單元18，其耦接以接收CDS單元42的輸出，藉以產生負偏移電壓Neg_offset。減法器72將(像素陣列11輸出的)像素信號減去負偏移電壓Neg_offset，減法器72的輸出饋至ADC單元41。

詳而言之，本實施例之黑階預估(BLE)單元18可包含預估器181與偏移產生器182。在本實施例中，預估器181為數位電路或程式，且偏移產生器182為類比電路。預估器181耦接以接收針對預估光學黑像素(OBP)113執行相關雙重取樣所得到的暗電壓，可表示為： BLE: (偏移信號+重置電壓+暗電壓)-( 偏移信號+重置電壓)= 暗電壓

如果預估器181判定暗電壓大於預設臨界值，則預估器181以偏移控制信號BLE＜M:0＞驅動偏移產生器182，以產生(類比)負偏移電壓Neg_offset，用以對補償光學黑像素(OBP)112及主動像素感測元件(APS)111執行黑階補償。藉此，補償光學黑像素(OBP)112及主動像素感測元件(APS)111的暗電壓即可被負偏移電壓Neg_offset抵消。所產生的負偏移電壓Neg_offset可作為目前列及後續列的主動像素感測元件(APS)111以執行黑階補償。BLC單元43執行如下的黑階補償： OBP: (偏移電壓+重置電壓+暗電壓-負偏移電壓)-(偏移電壓+重置電壓)= 暗電壓-負偏移電壓 APS: (偏移電壓+重置電壓+暗電壓+光信號-負偏移電壓)-(偏移電壓+重置電壓)=暗電壓+光信號-負偏移電壓 BLC: (暗電壓+光信號-負偏移電壓)_APS -(暗電壓-負偏移電壓)_OBP =光信號

第八圖例示第六圖之影像感測器600執行相關雙重取樣(CDS)的時序圖。於高溫情形下，暗電壓可被負偏移電壓Neg_offset抵消。圖式當中的負偏移電壓Neg_offset為正值，其係相反於負值的光信號Vsig。藉此，比較器14可偵測到斜坡信號Vramp與像素信號的交叉點，不會造成計數器16的溢位。因此，OBP次單元431與APS次單元432的儲存空間或位元數可以有效降低，且信號鏈的動態範圍於高溫情形下可大量增進。

第九圖例示第七圖之偏移產生器182的電路圖。在本實施例中，偏移產生器182可包含電阻列R₀ ~R_N 組成的分壓器。分壓器將輸入電壓VB₁ -VB₂ 分配於電阻列R₀ ~R_N ，因而產生參考電壓ref₁ ~ref_N 。偏移產生器182可包含多工器91，其耦接以接收參考電壓ref₁ ~ref_N 。多工器91根據偏移控制信號BLE＜M:0＞當中的選擇位元，選擇參考電壓ref₁ ~ref_N 的其中之一作為輸出。

偏移產生器182可包含第一開關SW₁ 及第二開關SW₂ 。第一開關SW₁ 連接於多工器91的輸出與緩衝器92的輸入之間。第二開關SW₂ 的第一端連接至緩衝器92的輸入，第二端連接至地。當預估光學黑像素(OBP)113執行黑階補償時，第一開關SW₁ 閉合且第二開關SW₂ 斷開，因此多工器91輸出選擇的參考電壓，其通過緩衝器92作為負偏移電壓Neg_offset。當預估光學黑像素(OBP)113不執行黑階補償時，第一開關SW1斷開且第二開關SW2閉合，因此多工器91不會產生任何負偏移電壓Neg_offset。

第十A圖例示第六圖之比較器14的電路圖。比較器14可包含差動(differential)至單端放大器141A(例如運算放大器)。像素信號與負偏移電壓Neg_offset分別經由第一電容器C1與第二電容器C2連接至放大器141A的反相輸入。斜坡信號Vramp連接至放大器141A的非反相輸入。第十B圖例示第六圖之比較器14的另一電路圖。比較器14可包含差動至差動放大器141B(例如運算放大器)。像素信號與負偏移電壓Neg_offset分別經由第一電容器C1與第二電容器C2連接至放大器141B的反相輸入。斜坡信號Vramp經由第三電容器C3連接至放大器141B的非反相輸入。第十C圖例示第六圖之比較器14的又一電路圖。比較器14可包含單端輸入單端輸出放大器141C(例如運算放大器)。像素信號、負偏移電壓Neg_offset及斜坡信號Vramp分別經由第一電容器C1、第二電容器C2及第三電容器C3連接至放大器141C的輸入。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100‧‧‧影像感測器

11‧‧‧像素陣列

110‧‧‧像素

111‧‧‧主動像素感測元件

112‧‧‧光學黑像素

113‧‧‧預估光學黑像素

12‧‧‧列解碼器

13‧‧‧電流汲取列

131‧‧‧電流汲取電路

14‧‧‧比較器

141A‧‧‧放大器

141B‧‧‧放大器

141C‧‧‧放大器

15‧‧‧斜坡產生器

16‧‧‧計數器

17‧‧‧記憶裝置

18‧‧‧黑階預估單元

181‧‧‧預估器

182‧‧‧偏移產生器

400‧‧‧影像處理系統

41‧‧‧類比至數位轉換單元

42‧‧‧相關雙重取樣單元

43‧‧‧黑階補償單元

431‧‧‧光學黑像素次單元

432‧‧‧主動像素感測元件次單元

433‧‧‧減法器

600‧‧‧影像感測器

700‧‧‧影像處理系統

72‧‧‧減法器

91‧‧‧多工器

92‧‧‧緩衝器

APS‧‧‧主動像素感測元件

OBP‧‧‧光學黑像素

VDD‧‧‧電源電壓

RX‧‧‧重置電晶體

TX‧‧‧傳送電晶體

PD‧‧‧光二極體

FD‧‧‧浮動擴散節點

SF‧‧‧源極隨耦電晶體

SX‧‧‧選擇電晶體

BL‧‧‧位元線

Vramp‧‧‧斜坡信號

t1~t4‧‧‧時間

V_BL‧‧‧位元線電壓

Vrst‧‧‧重置電壓

Vsig‧‧‧光信號

BLC‧‧‧黑階補償

ADC‧‧‧類比至數位轉換

CDS‧‧‧相關雙重取樣

BLE‧‧‧黑階預估

Neg_offset‧‧‧負偏移電壓

BLE＜M:0＞‧‧‧偏移控制信號

VB₁‧‧‧輸入電壓

VB₂‧‧‧輸入電壓

R₀~R_N‧‧‧電阻列

ref₁~ref_N‧‧‧參考電壓

SW₁‧‧‧第一開關

SW₂‧‧‧第二開關

C1‧‧‧第一電容器

C2‧‧‧第二電容器

C3‧‧‧第三電容器

第一圖顯示行平行影像感測器的方塊圖。第二圖例示第一圖的像素的電路圖。第三圖例示第一圖之影像感測器執行相關雙重取樣的時序圖。第四圖顯示影像感測器的影像處理系統的方塊圖。第五圖例示第一圖之影像感測器執行相關雙重取樣的另一時序圖。第六圖顯示本發明實施例之行平行影像感測器的方塊圖。第七圖顯示本發明實施例之影像感測器的影像處理系統的方塊圖。第八圖例示第六圖之影像感測器執行相關雙重取樣的時序圖。第九圖例示第七圖之偏移產生器的電路圖。第十A圖例示第六圖之比較器的電路圖。第十B圖例示第六圖之比較器的另一電路圖。第十C圖例示第六圖之比較器的又一電路圖。

Claims

一種影像感測器的影像處理系統，包含：一像素陣列，提供像素信號，該像素陣列包含主動像素感測元件(APS)、補償光學黑像素(OBP)及預估光學黑像素；一類比至數位轉換單元，對像素信號執行類比至數位轉換，以產生數位像素信號；一相關雙重取樣單元，對數位像素信號執行相關雙重取樣；一黑階預估單元，根據該預估光學黑像素經執行數位相關雙重取樣所得到的暗電壓以產生負偏移電壓，該像素信號減去該負偏移電壓之後饋至該類比至數位轉換單元；及一黑階補償單元，對該主動像素感測元件及該補償光學黑像素執行黑階補償。
根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的影像處理系統，其中該像素陣列包含一電流汲取列，其包含複數電流汲取電路，分別耦接至像素信號的輸出節點。
根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的影像處理系統，更包含一列解碼器，其每次選擇該像素陣列當中的一列，用以讀出被選擇列的像素信號。
根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的影像處理系統，其中該類比至數位轉換單元包含：一斜坡產生器，產生斜坡信號；一組比較器，每一比較器耦接以接收該像素陣列的相應像素信號、斜坡信號及負偏移電壓；及一組計數器，每一計數器耦接以接收計數時脈及相應比較器的比較結果。
根據申請專利範圍第4項所述影像感測器的影像處理系統，其中該類比至數位轉換單元更包含一組記憶裝置，其耦接以分別接收該計數器的計數值。
根據申請專利範圍第4項所述影像感測器的影像處理系統，其中該比較器包含：一差動至單端放大器；一第一電容器，藉以讓像素信號連接至該放大器的反相輸入；及一第二電容器，藉以讓負偏移電壓連接至該放大器的反相輸入；其中該斜坡信號連接至該放大器的非反相輸入。
根據申請專利範圍第4項所述影像感測器的影像處理系統，其中該比較器包含：一差動至差動放大器；一第一電容器，藉以讓像素信號連接至該放大器的反相輸入；一第二電容器，藉以讓負偏移電壓連接至該放大器的反相輸入；及一第三電容器，藉以讓斜坡信號連接至該放大器的非反相輸入。
根據申請專利範圍第4項所述影像感測器的影像處理系統，其中該比較器包含：一單端輸入單端輸出放大器；一第一電容器，藉以讓像素信號連接至該放大器的輸入；一第二電容器，藉以讓負偏移電壓連接至該放大器的輸入；及一第三電容器，藉以讓斜坡信號連接至該放大器的輸入。
根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的影像處理系統，其中該黑階補償單元包含一光學黑像素次單元及一主動像素感測元件次單元，於重置期間，該類比至數位轉換單元處理該補償光學黑像素，因而產生第一數位像素信號，其包含偏移電壓與重置電壓；於信號期間，該類比至數位轉換單元處理該補償光學黑像素，因而產生第二數位像素信號，其包含偏移電壓、重置電壓與暗電壓；該相關雙重取樣單元將第二數位信號減去第一數位信，因而產生暗電壓暫存於該光學黑像素次單元；於重置期間，該類比至數位轉換單元處理該主動像素感測元件，因而產生第三數位像素信號，其包含偏移電壓與重置電壓；於信號期間，該類比至數位轉換單元處理該主動像素感測元件，因而產生第四數位像素信號，其包含偏移電壓、重置電壓、暗電壓與光信號；該相關雙重取樣單元將第四數位信號減去第三數位信，因而產生暗電壓與光信號暫存於該主動像素感測元件次單元；儲存於該主動像素感測元件次單元的暗電壓與光信號減去儲存於該光學黑像素次單元的暗電壓，因而產生補償像素信號。
根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的影像處理系統，其中該相關雙重取樣單元包含一數位相關雙重取樣單元。
根據申請專利範圍第1項所述影像感測器的影像處理系統，其中該黑階預估單元包含：一預估器，耦接以接收該預估光學黑像素經執行相關雙重取樣所得到的暗電壓；及一偏移產生器，當該預估器所接收的暗電壓大於預設臨界值，則該預估器以偏移控制信號驅動該偏移產生器。
根據申請專利範圍第11項所述影像感測器的影像處理系統，其中該偏移產生器包含：一分壓器，產生複數參考電壓；及一多工器，根據偏移控制信號以選擇其中一個參考電壓作為輸出。
根據申請專利範圍第12項所述影像感測器的影像處理系統，其中該偏移產生器更包含：一緩衝器；一第一開關，連接於該多工器的輸出與該緩衝器的輸入之間；及一第二開關，連接於該緩衝器的輸入與地之間；其中當該預估光學黑像素執行黑階補償時，該第一開關閉合且該第二開關斷開；當該預估光學黑像素不執行黑階補償時，該第一開關斷開且該第二開關閉合。
一種影像感測器的影像處理系統，包含：一像素陣列，提供像素信號，該像素陣列包含主動像素感測元件(APS)、補償光學黑像素(OBP)及預估光學黑像素；一相關雙重取樣單元，對像素信號執行相關雙重取樣；一黑階預估單元，根據該預估光學黑像素經執行相關雙重取樣所得到的暗電壓以產生負偏移電壓，該像素信號減去該負偏移電壓之後執行類比至數位轉換；及一黑階補償單元，對該主動像素感測元件及該補償光學黑像素執行黑階補償。
根據申請專利範圍第14項所述影像感測器的影像處理系統，其中該黑階預估單元包含：一預估器，耦接以接收該預估光學黑像素經執行相關雙重取樣所得到的暗電壓；及一偏移產生器，當該預估器所接收的暗電壓大於預設臨界值，則該預估器以偏移控制信號驅動該偏移產生器。
根據申請專利範圍第15項所述影像感測器的影像處理系統，其中該偏移產生器包含：一分壓器，產生複數參考電壓；及一多工器，根據偏移控制信號以選擇其中一個參考電壓作為輸出。
根據申請專利範圍第16項所述影像感測器的影像處理系統，其中該偏移產生器更包含：一緩衝器；一第一開關，連接於該多工器的輸出與該緩衝器的輸入之間；及一第二開關，連接於該緩衝器的輸入與地之間；其中當該預估光學黑像素執行黑階補償時，該第一開關閉合且該第二開關斷開；當該預估光學黑像素不執行黑階補償時，該第一開關斷開且該第二開關閉合。
一種影像感測器的影像處理方法，包含：一像素陣列提供像素信號，該像素陣列包含主動像素感測元件(APS)、補償光學黑像素(OBP)及預估光學黑像素；對像素信號執行類比至數位轉換，以產生數位像素信號；對數位像素信號執行相關雙重取樣；根據該預估光學黑像素經執行數位相關雙重取樣所得到的暗電壓以產生負偏移電壓，該像素信號減去該負偏移電壓之後執行類比至數位轉換；及對該主動像素感測元件及該補償光學黑像素執行黑階補償。
根據申請專利範圍第18項所述影像感測器的影像處理方法，其中該黑階補償步驟包含: 於重置期間，對該補償光學黑像素執行類比至數位轉換，因而產生第一數位像素信號，其包含偏移電壓與重置電壓；於信號期間，對該補償光學黑像素執行類比至數位轉換，因而產生第二數位像素信號，其包含偏移電壓、重置電壓與暗電壓；執行相關雙重取樣，將第二數位信號減去第一數位信，因而產生並暫存暗電壓；於重置期間，對該主動像素感測元件執行類比至數位轉換，因而產生第三數位像素信號，其包含偏移電壓與重置電壓；於信號期間，對該主動像素感測元件執行類比至數位轉換，因而產生第四數位像素信號，其包含偏移電壓、重置電壓、暗電壓與光信號；執行相關雙重取樣，將第四數位信號減去第三數位信，因而產生並暫存暗電壓與光信號；及將儲存的暗電壓與光信號減去儲存的暗電壓，因而產生補償像素信號。
根據申請專利範圍第18項所述影像感測器的影像處理方法，其中該黑階預估步驟包含：接收該預估光學黑像素經執行相關雙重取樣所得到的暗電壓；及當該暗電壓大於預設臨界值，產生偏移控制信號據以產生該負偏移電壓。