TWI514876B - 影像感測器及其補償方法 - Google Patents

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Description

影像感測器及其補償方法
本發明係有關於一種影像感測器，特別是有關於一種可自動補償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。
由於電子電路的非完美性質，使得影像感測器在未接收任何光線的情形下仍然會具有漏電流(或暗信號(dark signal))。此有害的暗信號會結合於有用的資料信號中，更糟的是，此暗信號無法區別於資料信號。此結合之暗信號會犧牲影像動態範圍，並且會降低影像對比度，因而降低影像品質。舉例來說，若黑階(black level)過高，則亮區中之資訊可能會丟失，並可能會犧牲信號範圍。因此，為了避免或校正此暗信號，通常會施以黑階校準(black level calibration，BLC)。準確之黑階校正有助於達成在暗影區中具有全對比及微小細節之數位圖像。
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；一類比對數位轉換器，用以將來自上述畫素陣列之一黑階參考信號以及一畫素信號分別轉換為一第一數位信號以及一第二數位信號；以及一處理器，用以根據上述第一數位信號而得到一黑階參考值，以及根據上述黑階參考值、上述類比對數位轉換器之一最高數位位準以及一全信號範圍值而得到一補償係數。上述處理器係根據上述補償係數、上述黑階參考值以及上述第二數位信號而得到一畫素資料。
再者，本發明提供一種補償方法，適用於一影像感測器，其中上述影像感測器包括一畫素陣列以及一類比對數位轉換器。經由上述類比對數位轉換器，將來自上述畫素陣列之一黑階參考信號轉換為一第一數位信號。經由上述類比對數位轉換器，將來自上述畫素陣列之一畫素信號轉換為一第二數位信號。根據上述第一數位信號，得到一黑階參考值。根據上述黑階參考值、上述類比對數位轉換器之一最高數位位準以及一全信號範圍值，得到一補償係數。根據上述補償係數、上述黑階參考值以及上述第二數位信號，得到一畫素資料。
10‧‧‧黑階感測區域
20‧‧‧核心區域
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧畫素陣列
120‧‧‧增益放大器
130‧‧‧類比對數位轉換器
140‧‧‧處理器
DBG 、DFG ‧‧‧數位信號
DPIX ‧‧‧畫素資料
Gain‧‧‧增益信號
S210-S240‧‧‧步驟
SB ‧‧‧黑階參考信號
SF ‧‧‧畫素信號
SBG 、SFG ‧‧‧信號
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圖係顯示根據本發明一實施例所述之補償方法，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、增益放大器120、類比對數位轉換器(analog to digital converter，ADC)130以及處理器140。畫素陣列110包括主要感測區域20以及設置在核心區域20兩側的兩個黑階(black level)感測區域10。首先，增益放大器120會得到來自畫素陣列110之黑階感測區域10的黑階參考信號SB ，其中黑階參考信號SB 包括黑階感測區域10上每一參考線上各畫素的信號。接著，根據黑階參考信號SB ，增益放大器120提供信號SBG 至類比對數位轉換器130。接著，類比對數位轉換器130會將信號SBG 轉換為數位信號DBG ，並提供數位信號DBG 至處理器140。接著，處理器140可根據數位信號DBG (例如平均)而得到目前之黑階參考值BLC。在此實施例中，類比對數位轉換器130為一N位元之類比對數位轉換器，其可將一類比信號轉換為一數位信號，其中該數位信號具有對應於類比信號範圍之複數位準。舉例來說，若N為10，則數位信號之位準係從0(即“0000000000”)至1023(即“1111111111”)，其中1023為10位元類比對數位轉換器之最高數位位準，即210 -1。一般來說，為了黑階之校準，影像感測器會使用具有較高位元數之類比對數位轉換器來進行轉換。舉例來說，影像感測器100可提供10位元之全信號範圍值，即影像感測器100的全信號範圍是從0至1023。因此，為了得到足夠的信號位準，影像感測器100可使用11位元之類比對數位轉換器來將類比信號轉換為數位信號，其中11位元類比對數位轉換器 的數位信號之位準係從0至2047，即11位元類比對數位轉換器之最高數位位準為2047。具體而言，在影像感測器100中，類比對數位轉換器130所提供之最高數位位準係大於影像感測器100可提供之全信號範圍值。接著，處理器140會根據下列算式(1)而得到補償係數SRE：SRE=full_range/(max_full_signal-BLC) (1)，其中full_range係表示影像感測器100之全信號範圍值、max_full_signal係表示類比對數位轉換器130之最高數位位準，以及BLC係表示目前之黑階參考值。接著，增益放大器120會得到來自畫素陣列110之畫素信號SF ，其中畫素信號SF 包括核心區域20以及黑階感測區域10上每一列線上各畫素之信號。接著，根據畫素信號SF ，增益放大器120提供信號SFG 至類比對數位轉換器130。接著，類比對數位轉換器130會將信號SFG 轉換為數位信號DFG ，並提供數位信號DFG 至處理器140。接著，處理器140會根據補償係數SRE、數位信號DFG 以及黑階參考值BLC而產生畫素資料DPIX 。在此實施例中，若補償係數SRE係小於或等於1，則處理器140會根據下列算式(2)而得到畫素資料DPIX ：DPIX =DFG -BLC=DIFF (2)。具體而言，當補償係數SRE係小於或等於1時，畫素資料DPIX 係由數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值DIFF所決定。換言之，處理器140所接收到的數位信號DFG 在經過黑階校準之後，仍具有足夠的信號範圍。此外，若補償係數SRE係大於1，則處理器140會根據下列算式(3)而得到畫素資料DPIX ： DPIX =(DFG -BLC)xSRE=DIFFxSRE (3)。具體而言，當補償係數SRE係大於1時，處理器140會根據補償係數SRE來調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值DIFF，以決定畫素資料DPIX 。換言之，處理器140會根據補償係數SRE而適當地將數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值DIFF放大，以便增加信號範圍。在此實施例中，影像感測器100係經由處理器140以數位增益來調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值DIFF。舉例來說，處理器140可使用減法器來得到數位信號DFG 以及黑階參考值BLC之間的差值DIFF，並使用數位乘法器來放大差值DIFF。因此，在經過黑階校準之後，經過放大後的畫素信號可具有足夠的信號範圍。於是，根據本發明之實施例，影像感測器100可根據補償係數SRE而適當地調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值DIFF，以得到最佳的影像動態範圍。因此，可改善影像對比度及影像品質。
此外，在一實施例中，在得到補償係數SRE之後，處理器140可根據補償係數SRE而提供增益信號Gain至增益放大器120，以便調整增益放大器120的增益值。在一實施例中，處理器140係提供增益信號Gain至數位乘法器。接著，增益放大器120會從新得到來自畫素陣列110之黑階感測區域10的黑階參考信號SB 。接著，根據黑階參考信號SB 以及增益信號Gain，增益放大器120會提供已放大之信號SBG 至類比對數位轉換器130。舉例來說，當補償係數大於1時，處理器140會提供對應於補償係數SRE之增益信號Gain至增益放大器120，即SBG =SB xSRE。反之，當補償係數小於或等於1時，處理器140 提供對應於單位增益(unity gain)之增益信號Gain至增益放大器120，即SBG =SB x1。接著，類比對數位轉換器130將已放大之信號SBG 轉換為數位信號DBG ，並提供數位信號DBG 至處理器140。接著，處理器140便可根據數位信號DBG 而得到已放大之黑階參考值BLC。此外，增益放大器120會得到來自畫素陣列110之畫素信號SF 。接著，根據畫素信號SF 以及增益信號Gain，增益放大器120會提供已放大之信號SFG 至類比對數位轉換器130，即SFG =SF xSRE。接著，類比對數位轉換器130會將已放大之信號SFG 轉換為數位信號DFG ，並提供數位信號DFG 至處理器140。接著，處理器140會根據已放大之數位信號DFG 以及已放大之黑階參考值BLC的差值而得到畫素資料DPIX 。在此實施例中，影像感測器100係經由增益放大器120以類比增益來調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值。在另一實施例中，相應於補償係數SRE，影像感測器100可同時使用增益放大器120以及處理器140來調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之補償方法，適用於影像感測器。同時參考第1圖與第2圖，首先，在步驟S210，處理器140可根據對應於黑階參考信號SB 之數位信號DBG 而得到目前之黑階參考值BLC。如先前所描述，黑階參考信號SB 包括黑階感測區域10上每一參考線上各畫素的信號。接著，在步驟S220，處理器140會根據影像感測器100之全信號範圍值full_range、類比對數位轉換器13 0之最高數位位準max_full_signal以及目前之黑階參考值BLC而得到補償係數 SRE，如上述算式(1)所描述。接著，在步驟S230，處理器140可得到對應於畫素信號SF 之數位信號DFG ，其中畫素信號SF 包括核心區域20以及黑階感測區域10上每一列線上各畫素之信號。接著，在步驟S240，影像感測器會根據補償係數SRE、數位信號DFG 以及黑階參考值BLC而產生具有足夠信號範圍之畫素資料DPIX 。在此實施例中，影像感測器100可根據補償係數SRE而使用處理器140及/或增益放大器120來適當地調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值，使得經過黑階校準之後的畫素資料能具有足夠的信號範圍。舉例來說，當補償係數SRE係小於或等於1時，畫素資料DPIX 係由數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值DIFF所決定，即畫素資料DPIX 具有足夠的信號範圍而不需補償。反之，當補償係數SRE係大於1時，影像感測器100會根據補償係數SRE來調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值DIFF，以決定畫素資料DPIX 。因此，在經過黑階校準之後，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可使用處理器140及/或增益放大器120來適當地調整數位信號DFG 以及黑階參考值BLC的差值。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。
10‧‧‧黑階感測區域
20‧‧‧核心區域
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧畫素陣列
120‧‧‧增益放大器
130‧‧‧類比對數位轉換器
140‧‧‧處理器
DBG 、DFG ‧‧‧數位信號
DPIX ‧‧‧畫素資料
Gain‧‧‧增益信號
SB ‧‧‧黑階參考信號
SF ‧‧‧畫素信號
SBG 、SFG ‧‧‧信號

Claims (16)

  1. 一種影像感測器，包括：一畫素陣列；一類比對數位轉換器，用以將來自上述畫素陣列之一黑階參考信號以及一畫素信號分別轉換為一第一數位信號以及一第二數位信號；以及一處理器，用以根據上述第一數位信號而得到一黑階參考值，以及根據上述黑階參考值、上述類比對數位轉換器之一最高數位位準以及一全信號範圍值而得到一補償係數，其中上述處理器係根據上述補償係數、上述黑階參考值以及上述第二數位信號而得到一畫素資料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中上述處理器係根據上述全信號範圍值與上述黑階參考值以及上述類比對數位轉換器之上述最高數位位準之間的一第一差值之比例而得到上述補償係數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中當上述補償係數大於1時，上述處理器係將上述第二數位信號以及上述黑階參考值之間的一第二差值乘上上述補償係數而得到上述畫素資料，以及當上述補償係數小於或等於1時，上述處理器係根據上述第二差值而得到上述畫素資料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包括：一增益放大器，耦接於上述畫素陣列以及上述類比對數位轉換器之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之影像感測器，其中當上述補償 係數大於1時，上述處理器提供對應於上述補償係數之一增益信號至上述增益放大器，以及當上述補償係數小於或等於1時，上述處理器提供對應於單位增益之上述增益信號至上述增益放大器，其中上述增益放大器係根據來自上述處理器之上述增益信號分別對上述黑階參考信號以及上述畫素信號進行放大。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器，其中上述類比對數位轉換器係將已放大之上述黑階參考信號以及已放大之上述畫素信號分別轉換為上述第一數位信號以及上述第二數位信號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中上述類比對數位轉換器係一N位元類比對數位轉換器，以及上述最高數位位準係等於2的N次方減一。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中上述全信號範圍值係小於上述類比對數位轉換器之上述最高數位位準。
  9. 一種補償方法，適用於一影像感測器，其中上述影像感測器包括一畫素陣列以及一類比對數位轉換器，補償方法包括：經由上述類比對數位轉換器，將來自上述畫素陣列之一黑階參考信號轉換為一第一數位信號；經由上述類比對數位轉換器，將來自上述畫素陣列之一畫素信號轉換為一第二數位信號；根據上述第一數位信號，得到一黑階參考值； 根據上述黑階參考值、上述類比對數位轉換器之一最高數位位準以及一全信號範圍值，得到一補償係數；以及根據上述補償係數、上述黑階參考值以及上述第二數位信號，得到一畫素資料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之補償方法，其中上述得到上述補償係數之步驟更包括：得到上述黑階參考值以及上述類比對數位轉換器之上述最高數位位準之間的一第一差值；以及根據上述全信號範圍值與上述第一差值之比例而得到上述補償係數。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之補償方法，其中上述得到上述畫素資料之步驟更包括：當上述補償係數大於1時，將上述第二數位信號以及上述黑階參考值之間的一第二差值乘上上述補償係數，以得到上述畫素資料；以及當上述補償係數小於或等於1時，根據上述第二差值而得到上述畫素資料。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之補償方法，更包括：根據一增益信號分別對上述黑階參考信號以及上述畫素信號進行放大。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之補償方法，其中當上述補償係數大於1時，上述增益信號係對應於上述補償係數，以及當上述補償係數小於或等於1時，上述增益信號係對應於一單位增益。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之補償方法，其中上述類比對數位轉換器係將已放大之上述黑階參考信號以及已放大之上述畫素信號分別轉換為上述第一數位信號以及上述第二數位信號。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之補償方法，其中上述類比對數位轉換器係一N位元類比對數位轉換器，以及上述最高數位位準係等於2的N次方減一。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之補償方法，其中上述全信號範圍值係小於上述類比對數位轉換器之上述最高數位位準。
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