TWI502989B - 影像感測器及其調整方法 - Google Patents

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Description

影像感測器及其調整方法
本發明係有關於一種影像感測器，特別是有關於一種可調整信號範圍之影像感測器。
半導體影像感測器(例如電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化半導體(CMOS)感測器)普遍使用於照相機或攝影機中，用以將可見光之影像轉換為電子信號，便於後續之儲存、傳輸或顯示。
在部分應用中，影像感測器中的畫素陣列係具有背景光源。於是，除了實際的感測信號之外，影像感測器所感測到的輸出信號更包括了背景光源所引起之背景信號。由於背景信號具有一定的信號能量，因此為了能有效鑑別出實際的感測信號，傳統上需要使用較高解析度(高位元數)之類比對數位轉換器來進行轉換。
本發明提供一種影像感測器。上述影像感測器包括：一畫素陣列；一感測放大器，用以根據來自上述畫素陣列之一畫素信號以及一參考電壓而得到一第一信號，其中上述參考電壓具有一第一電壓位準；一類比對數位轉換器，用以將上述第一信號轉換為一第一數位信號；一處理器，用以根據上述 第一數位信號而提供一回授信號；以及一電壓產生器，用以調整上述參考電壓，使得上述參考電壓具有對應於上述回授信號之一第二電壓位準。上述感測放大器根據具有上述第二電壓位準之上述參考電壓來消除上述畫素信號之一直流偏移電壓。
再者，本發明提供一種調整方法，適用於一影像感測器。根據來自上述影像感測器之一畫素陣列的一畫素信號以及具有一第一電壓位準之一參考電壓，得到一第一信號。經由上述影像感測器之一類比對數位轉換器，將上述第一信號轉換為一第一數位信號。根據上述第一數位信號，得到一回授信號。經由上述影像感測器之一電壓產生器，調整上述參考電壓，使得上述參考電壓具有對應於上述回授信號之一第二電壓位準。根據具有上述第二電壓位準之上述參考電壓，消除上述畫素信號之一直流偏移電壓。
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧畫素陣列
120‧‧‧感測放大器
130‧‧‧增益放大器
140‧‧‧類比對數位轉換器
150‧‧‧處理器
160‧‧‧電壓產生器
310-340‧‧‧標號
AMP‧‧‧運算放大器
C‧‧‧電容
DPIX ‧‧‧畫素資料
FB‧‧‧回授信號
Gain‧‧‧增益信號
S1-S3‧‧‧信號
S410-S480‧‧‧步驟
SDC ‧‧‧直流成分
SPIX ‧‧‧畫素信號
Sref ‧‧‧參考電壓
SV ‧‧‧感測成分
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之影像感測器；第2圖係顯示第1圖之影像感測器的信號波形圖；第3圖係顯示第1圖之影像感測器的另一信號波形圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之調整方法，適用於影像感測器。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之影像感測器100。影像感測器100包括畫素陣列110、感測放大器120、增益放大器130、類比對數位轉換器(analog to digital converter，ADC)140、處理器150以及電壓產生器160。首先，感測放大器120會得到來自畫素陣列110之畫素信號SPIX 。接著，根據畫素信號SPIX 以及來自電壓產生器160之參考電壓Sref ，感測放大器120會提供信號S1至增益放大器130，其中參考電壓Sref 具有第一電壓位準V1，即Sref =V1。在此實施例中，感測放大器120包括運算放大器AMP以及電容C，其中電容C係耦接於運算放大器AMP的輸出端以及非反相輸入端(+)之間。此外，運算放大器AMP的非反相輸入端係耦接於畫素陣列110，用以接收畫素信號SPIX ，以及運算放大器AMP的反相輸入端係耦接於電壓產生器160，用以接收參考電壓Sref 。接著，增益放大器130會根據對應於單位增益(unity gain)之增益信號Gain對信號S1進行放大，以得到信號S2，即S2=S1x1，其中增益信號Gain係由處理器150所提供。接著，類比對數位轉換器140會將信號S2轉換為數位信號S3，並提供數位信號S3至處理器150。接著，處理器150可根據數位信號S3而得到目前之背景信號。在一實施例中，背景信號係由畫素陣列110的背景光源所引起。接著，處理器150會根據數位信號S3而提供對應於背景信號之位準的回授信號FB至電壓產生器160。此外，處理器150亦會根據數位信號S3而提供增益信號Gain至增益放大器130。接著，電壓產生器160會根據回授信號FB來調整參考電壓Sref ，使得參考電壓Sref 具有第二電壓位準V2，即Sref =V2。在一 實施例中，電壓產生器160為一數位對類比轉換器(digital to analog converter，DAC)。接著，感測放大器120會根據具有第二電壓位準V2之參考電壓Sref 來消除畫素信號SPIX 之直流成分SDC ，以產生信號S1。在實施例中，直流成分SDC 為畫素信號SPIX 之偏移電壓，其中該偏移電壓為畫素陣列110之背景信號所引起。接著，增益放大器130會根據增益信號Gain對信號S1進行放大，以得到信號S2，其中增益信號Gain具有大於單位增益之增益值。因此，在消除直流成分SDC 之後，信號S2的信號範圍會變大。接著，類比對數位轉換器140會將已放大之信號S2轉換為數位信號S3，並提供數位信號S3至處理器150。接著，處理器150會根據數位信號S3而提供畫素資料DPIX 。在此實施例中，藉由消除畫素信號SPIX 中由背景信號所引起的直流成分SDC ，可使增益放大器130對有效的感測信號進行放大。於是，不需使用高解析度(高位元)之類比對數位轉換器，就可得到具有足夠信號位準之畫素資料DPIX 。
第2圖與第3圖係顯示第1圖之影像感測器100的信號波形圖，其中第2圖係描述畫素信號SPIX 與參考電壓Sref ，而第3圖係描述信號S2與信號S3。同時參考第1圖與第2圖，在週期P1的期間，畫素陣列110所提供之畫素信號SPIX 僅包括由背景信號所引起之直流成分SDC 。此外，在週期P1的期間，參考電壓Sref 為0伏特，即第一電壓位準V1為0。於是，感測放大器120可根據畫素信號SPIX 以及參考電壓Sref 而得到具有直流成分SDC 之信號S1，如第3圖的標號310所顯示。因此，處理器150可分別提供對應於直流成分SDC 之回授信號FB以及增益信號Gain至 電壓產生器160與增益放大器130。接著，電壓產生器160會根據回授信號FB來調整參考電壓Sref ，使得參考電壓Sref 大體上相等於直流成分SDC 。於是，在週期P2的期間，感測放大器120可根據參考電壓Sref 而消除畫素信號SPIX 中的直流成分SDC 而得到信號S1，如第3圖的標號320所顯示。接著，在週期P3的期間，畫素陣列110所提供之畫素信號SPIX 更包括有效之感測成分SV 。由於參考電壓Sref 大體上相等於或接近直流成分SDC 。於是，感測放大器120可根據參考電壓Sref 來消除畫素信號SPIX 中的直流成分SDC 而得到信號S1，其中信號S1大體上相等於或接近有效之感測成分SV ，如第3圖的標號330所顯示。接著，增益放大器130會根據增益信號Gain對信號S1進行放大，以得到信號S2，如第3圖的標號340所顯示。於是，類比對數位轉換器140可將已放大之信號S2轉換為信號S3。在第3圖中，信號S2的信號範圍較大，於是影像感測器不需使用高解析度(高位元)之類比對數位轉換器，就可得到具有足夠信號位準之畫素資料DPIX 。
第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之調整方法，適用於影像感測器。同時參考第1圖與第4圖，首先，在步驟S410，感測放大器120根據畫素信號SPIX 以及具有第一電壓位準V1之參考電壓Sref 而得到信號S1。接著，在步驟S420，類比對數位轉換器140將相同於信號S1之信號S2轉換為數位信號S3。接著，在步驟S430，處理器150會根據數位信號S3而提供回授信號FB至電壓產生器160。接著，在步驟S440，電壓產生器160會根據回授信號FB來調整參考電壓Sref ，使得參考電壓 Sref 具有第二電壓位準V2。接著，在步驟S450，感測放大器120會根據畫素信號SPIX 以及具有第二電壓位準V2之參考電壓Sref 而再次得到信號S1。接著，在步驟S460，增益放大器130會根據增益信號Gain對信號S1進行放大，以得到信號S2。接著，在步驟S470，類比對數位轉換器140將已放大之信號S2轉換為數位信號S3。接著，在步驟S480，處理器150會根據數位信號S3而提供具有足夠信號範圍之畫素資料DPIX 至其他裝置，以進行後續處理。因此，藉由消除畫素信號SPIX 中由背景信號所引起的直流成分SDC ，影像感測器100所提供的畫素資料具有足夠的信號範圍。此外，影像感測器100可使用增益放大器130來適當地調整信號S2。因此，不需要額外的放大電路即可使畫素資料DPIX 具有足夠的信號範圍。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中包括通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧畫素陣列
120‧‧‧感測放大器
130‧‧‧增益放大器
140‧‧‧類比對數位轉換器
150‧‧‧處理器
160‧‧‧電壓產生器
AMP‧‧‧運算放大器
C‧‧‧電容
DPIX ‧‧‧畫素資料
FB‧‧‧回授信號
Gain‧‧‧增益信號
S1-S3‧‧‧信號
SPIX ‧‧‧畫素信號
Sref ‧‧‧參考電壓

Claims (14)

  1. 一種影像感測器，包括：一畫素陣列；一感測放大器，用以根據來自上述畫素陣列之一畫素信號以及一參考電壓而得到一第一信號，其中上述參考電壓具有一第一電壓位準；一類比對數位轉換器，用以將上述第一信號轉換為一第一數位信號；一處理器，用以根據上述第一數位信號而提供一回授信號；以及一電壓產生器，用以調整上述參考電壓，使得上述參考電壓具有對應於上述回授信號之一第二電壓位準，其中上述感測放大器根據具有上述第二電壓位準之上述參考電壓來消除上述畫素信號之一直流偏移電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中上述感測放大器根據上述畫素信號以及具有上述第二電壓位準之上述參考電壓而得到一第二信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，更包括：一增益放大器，耦接於上述感測放大器以及上述類比對數位轉換器之間，用以對上述第二信號進行放大。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之影像感測器，其中上述類比對數位轉換器將已放大之上述第二信號轉換為上述第一數位信號，以及上述處理器根據上述第一數位信號而提供一畫素資料。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中上述直流偏移電壓係對應於上述畫素陣列之一背景信號，以及上述感測放大器係從上述畫素信號中消除上述直流偏移電壓而得到上述第二信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中上述電壓產生器為一數位對類比轉換器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中上述感測放大器包括：一運算放大器，具有用以接收上述畫素信號之一非反相輸入端、用以接收上述參考電壓之一反相輸入端以及耦接於上述類比對數位轉換器之一輸出端；以及一電容，耦接於上述運算放大器之上述非反相輸入端以及上述輸出端之間。
  8. 一種調整方法，適用於一影像感測器，包括：根據來自上述影像感測器之一畫素陣列的一畫素信號以及具有一第一電壓位準之一參考電壓，得到一第一信號；經由上述影像感測器之一類比對數位轉換器，將上述第一信號轉換為一第一數位信號；根據上述第一數位信號，得到一回授信號；經由上述影像感測器之一電壓產生器，調整上述參考電壓，使得上述參考電壓具有對應於上述回授信號之一第二電壓位準；以及根據具有上述第二電壓位準之上述參考電壓，消除上述畫素信號之一直流偏移電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之調整方法，更包括：根據上述畫素信號以及具有上述第二電壓位準之上述參考電壓，得到一第二信號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之調整方法，更包括：放大上述第二信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之調整方法，更包括：將已放大之上述第二信號轉換為上述第一數位信號；以及根據上述第一數位信號，得到一畫素資料。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之調整方法，其中上述得到上述第二信號之步驟更包括：從上述畫素信號中消除上述直流偏移電壓，以得到上述第二信號，其中上述直流偏移電壓係對應於上述畫素陣列之一背景信號。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之調整方法，其中上述第一信號以及上述第二信號係由上述影像感測器之一感測放大器所提供，以及上述感測放大器包括：一運算放大器，具有用以接收上述畫素信號之一非反相輸入端、用以接收上述參考電壓之一反相輸入端以及耦接於上述類比對數位轉換器之一輸出端；以及一電容，耦接於上述運算放大器之上述非反相輸入端以及上述輸出端之間。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之調整方法，其中上述電壓產生器為一數位對類比轉換器。
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