TWI722818B

TWI722818B - 指紋訊號處理電路及方法

Info

Publication number: TWI722818B
Application number: TW109107466A
Authority: TW
Inventors: 張岑瑋
Original assignee: 聯詠科技股份有限公司
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-03-21
Also published as: US11682230B2; TW202034145A; CN111666806B; US20200285829A1; CN111666806A

Abstract

一種用於一指紋感測器的指紋訊號處理電路，該指紋感測器用來感測一手指接觸的一顯示面板的光線，該指紋訊號處理電路包含有一類比前端電路及一類比數位轉換器。該類比前端電路可用來從該指紋感測器接收一影像訊號並產生一類比輸出訊號。該類比前端電路包含有一增益電路。該增益電路可用來接收一補償訊號，並根據該補償訊號來處理該影像訊號以產生該類比輸出訊號，其中，該補償訊號的訊號值對應於該指紋感測器中該手指的觸摸位置。該類比數位轉換器耦接於該類比前端電路，可用來將該類比輸出訊號轉換為一數位碼。

Description

指紋訊號處理電路及方法

本發明係指一種訊號處理電路及方法，尤指一種可用於指紋訊號的訊號處理電路及方法。

指紋辨識技術已被廣泛用於各式各樣的電子產品，例如行動電話、筆記型電腦、平板電腦、個人數位助理（Personal Digital Assistant，PDA）、以及可擕式電子裝置等，用來實現身分識別。透過指紋感測可方便地識別使用者身分，使用者只須將手指放置在指紋感測板或感測區域上即可登入電子裝置，而無須輸入冗長且繁瑣的使用者名稱及密碼。

請參考第1圖，第1圖繪示一有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示面板，面板下方設置有一互補式金氧半（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）影像感測器，用來實現透鏡型指紋感測器（CMOS Image Sensor for Fingerprint，CIS-FPR）。影像感測器可包含多個感測畫素，以陣列方式分布在用來接收指紋影像的感測區域上。一透鏡可設置於有機發光二極體面板及感測器之間，用來收集光線，透鏡可透過任何方式實現，例如貼合在有機發光二極體面板底部。指紋感測器的運作原理為，有機發光二極體面板向上發出光線，此光線由觸碰的手指反射，穿透透鏡之後再由感測器所接收。

由於透鏡的設置方式以及有機發光二極體面板的結構，感測器中不同感測畫素接收到的光線強度可能受到不同數值大小的雜訊干擾，此雜訊有關於透鏡形狀和顯示面板結構，因此被稱為固定模式雜訊（Fixed Pattern Noise，FPN）。一般來說，固定模式雜訊的訊號值遠大於指紋影像上的波峰對波谷差異，因而導致有效訊號難以被放大。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種指紋訊號處理電路及方法，其可降低或消除所接收的指紋影像訊號中的固定模式雜訊（Fixed Pattern Noise，FPN）。

本發明之一實施例揭露一種用於一指紋感測器的指紋訊號處理電路，該指紋感測器用來感測一手指接觸的一顯示面板的光線，該指紋訊號處理電路包含有一類比前端電路（Analog Front-End Circuit，AFE circuit）及一類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）。該類比前端電路可用來從該指紋感測器接收一影像訊號並產生一類比輸出訊號。該類比前端電路包含有一增益電路，該增益電路可用來接收一補償訊號，並根據該補償訊號來處理該影像訊號以產生該類比輸出訊號，其中，該補償訊號的訊號值對應於該指紋感測器中該手指的觸摸位置。該類比數位轉換器耦接於該類比前端電路，可用來將該類比輸出訊號轉換為一數位碼。

本發明之另一實施例揭露一種處理指紋訊號的方法，用於一指紋訊號處理電路，該指紋訊號處理電路耦接於一指紋感測器，該指紋感測器用來感測一手指接觸的一顯示面板的光線，該方法包含有下列步驟：從該指紋感測器接收一影像訊號；接收一補償訊號，並根據該補償訊號來處理該影像訊號以產生一類比輸出訊號，其中，該補償訊號的訊號值對應於該指紋感測器中該手指的觸摸位置；以及將該類比輸出訊號轉換為一數位碼。

請繼續參考第1圖，第1圖繪示一種有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）面板的範例。基於透鏡型的結構，至少一透鏡可設置在指紋感測器上方或包含在指紋感測器中。透鏡具有不同位置上存在不同透光率（light transmission ratio）之光學特性，詳細來說，透鏡可以是一聚光型透鏡（collective lens），其中位於透鏡中央區域的至少一感測畫素所感測到的光線通常較亮，而位於透鏡周圍區域的至少一感測畫素所感測到的光線通常較暗。因此，實際產生的指紋影像具有如第2圖所示的亮度分布的範例。

除此之外，由於指紋感測器設置於有機發光二極體面板的下方且指紋影像來自於有機發光二極體面板的上方，由手指反射的部分光線受到有機發光二極體面板結構的阻擋，此結構具有一圖案，造成有機發光二極體面板的不同位置上具有不同透光率，如第3圖的範例。然而，指紋感測器實際接收的光線強度仍大致符合相對於透鏡位置而言中央區域亮度較高而周圍區域亮度較低的特性。

根據上述透鏡的特性，假設指紋感測器包含二個感測畫素，其中一感測畫素位於較亮的中央區域而另一感測畫素位於較暗的周圍區域，則此二個感測畫素將感測到不同的基本亮度，此差異來自於透鏡及／或面板圖案在不同位置上造成的透光率不一致。因此，對不同位置的感測畫素而言，傳送至後續電路的指紋影像訊號將有所差異，也就是說，指紋影像訊號具有不同大小的固定模式偏移。此固定模式偏移為透鏡的設置和有機發光二極體面板的結構之下產生的固定偏移，即指紋影像訊號中的固定模式雜訊（Fixed Pattern Noise，FPN）。位於透鏡中央區域的感測畫素可能接收較亮的訊號，因此具有較高的基本訊號；而位於透鏡周圍區域的感測畫素可能接收較暗的訊號，因此具有較低的基本訊號。

請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一指紋感測系統40之示意圖。如第4圖所示，指紋感測系統40可包含一指紋感測器400、一指紋訊號處理電路402及一主機裝置404。指紋感測器400可以是一光學式指紋感測器，可用來接收從觸碰的手指反射的光線，並產生一指紋影像訊號S_FPR。在一實施例中，指紋感測器400可以是如第1圖所示之透鏡型指紋感測器，其中，光線係透過透鏡來接收。

指紋訊號處理電路402可以是實現於晶片中的積體電路（Integrated Circuit，IC）。詳細來說，指紋訊號處理電路402可包含一類比前端（Analog Front-End，AFE）電路412、一類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）414及一數位訊號處理（Digital Signal Processing，DSP）電路416。當指紋感測器400所產生的（或根據指紋感測器400的感測結果產生的）指紋影像訊號S_FPR被輸出之後，訊號可進入類比前端電路412，接著由類比數位轉換器414進行處理以產生相對應的數位資料碼。

一般來說，為了補償影像訊號以實現例如消除固定模式雜訊等目的，對應於固定模式雜訊的編碼（以下稱為「固定模式雜訊碼」）可用於數位訊號處理電路416，其可將類比數位轉換器414所產生的資料碼減去固定模式雜訊碼。舉例來說，可利用一加法／減法電路或程序來實現將類比數位轉換器414產生的資料碼減去對應於固定模式雜訊的編碼的運算。在對類比數位轉換器414產生的資料碼進行處理（包括固定模式雜訊的相減）之後，數位訊號處理電路416可產生輸出影像資料IMG_O，此輸出影像資料IMG_O可再傳送至主機裝置404以進行指紋辨識。輸出影像資料IMG_O可以在例如固定模式雜訊消除之後產生，因而能夠反映指紋的波峰波谷差異。

然而，雖然指紋影像訊號S_FPR可在數位訊號處理電路416中進行補償（例如消除指紋影像訊號S_FPR中的固定模式雜訊），類比指紋影像訊號S_FPR仍可能需要額外的補償，以進一步提升類比數位轉換器414的效能。舉例來說，固定模式雜訊仍可能存在類比指紋影像訊號S_FPR中，因而降低了類比數位轉換器414的效能，因此，影像訊號的補償（例如降低或消除固定模式雜訊）應在類比前端電路412當中或前端進行。

請參考第5圖，第5圖為不同位置的二個感測畫素產生的指紋影像訊號S_FPR之示意圖，其中，畫素1可位於透鏡的中央區域且具有較高的固定模式雜訊，畫素2可位於透鏡的周圍區域且具有較低的固定模式雜訊。指紋影像訊號S_FPR中的固定模式雜訊是應被消除的偏移或雜訊，基於指紋波峰和波谷所產生的指紋訊號差異被疊加在固定模式雜訊的準位上，此波峰對波谷差異即為欲得到的訊號。

假設類比數位轉換器414是10位元的類比數位轉換器且其最大操作電壓為2V，此類比數位轉換器的輸出範圍包含1024個編碼。以此為例說明固定模式雜訊和實際指紋波峰對波谷訊號的訊號值的可能數量級（如數值大小），固定模式雜訊最高可佔據大約700個編碼，但實際取得的訊號（即波峰對波谷差異）僅具有大約40個編碼。因此，有效碼的比例相當低，導致類比數位轉換器資源的浪費。

請參考第6圖，第6圖為本發明實施例指紋影像訊號S_FPR進入類比數位轉換器414之前在類比前端電路412中降低或消除固定模式雜訊的實現方式之示意圖。當指紋影像訊號S_FPR進入類比數位轉換器414之前，可在類比前端電路412中對指紋影像訊號S_FPR進行類比補償，以降低或消除對應於不同位置的感測畫素的固定模式雜訊。訊號可由類比前端電路412中的增益電路進行放大，如此一來，由於類比數位轉換器414所輸出的有效碼之比例大幅增加，因此，經由類比數位轉換器414處理之後產生的資料碼更能夠有效反映指紋訊號。

請參考第7圖，第7圖為本發明實施例一指紋訊號處理電路70之示意圖。如第7圖所示，指紋訊號處理電路70包含有一類比前端電路712及一類比數位轉換器714，為求簡化，此處省略了位於類比數位轉換器714之後的電路元件（例如數位訊號處理電路），類似的架構可參考第4圖的內容。一查找表（Lookup Table，LUT）730（其可能包含在類比前端電路712中或單獨設置）另繪示於第7圖以方便說明。類比前端電路712可用來從一指紋感測器的至少一感測畫素接收指紋影像訊號S_FPR。類比前端電路712可包含一切換電容電路（switching capacitor circuit）722、一增益電路724及一補償控制電路726。切換電容電路722可用來接收指紋影像訊號S_FPR並且對指紋影像訊號S_FPR進行取樣。增益電路724耦接於切換電容電路722的輸出端，可用來放大指紋影像訊號S_FPR。需注意的是，增益電路724可包含一或多級的運算放大器（operational amplifier），用來實現放大操作。補償控制電路726耦接於切換電容電路722或增益電路724，可用來發送一補償訊號S_COMP至切換電容電路722或增益電路724。補償訊號S_COMP可降低或消除來自於指紋影像訊號S_FPR的固定模式雜訊，使得一類比輸出訊號V_ADC可被產生並傳送至類比數位轉換器714。接著，類比數位轉換器714可將類比輸出訊號V_ADC轉換為相對應的數位碼D_ADC。

如上所述，從不同位置的感測畫素接收的指紋影像訊號S_FPR可具有不同的固定模式偏移大小，造成不同程度的固定模式雜訊。較佳地，補償訊號S_COMP的訊號值（例如偏移大小）可對應於指紋感測器中的手指觸摸位置，此觸摸位置可以是至少一感測畫素的位置。更明確來說，補償訊號S_COMP的訊號值可根據手指的觸摸位置或至少一感測畫素的位置相對於指紋感測器的透鏡及／或有機發光二極體面板結構來決定，使得補償訊號S_COMP的訊號值可反映或代表其相對應的固定模式雜訊。舉例來說，若指紋影像訊號S_FPR係從透鏡中央區域之一第一感測畫素接收時，具有一第一訊號值的補償訊號S_COMP可用來補償此指紋影像訊號_FPR；若指紋影像訊號S_FPR係從透鏡周圍區域之一第二感測畫素接收時，具有一第二訊號值的補償訊號S_COMP可用來補償此指紋影像訊號_FPR。由於從第二感測畫素接收的指紋影像訊號S_FPR所包含的固定模式雜訊小於從第一感測畫素接收的指紋影像訊號S_FPR所包含的固定模式雜訊，第二訊號值可小於第一訊號值。

值得注意的是，一指紋訊號處理電路通常用來從指紋感測器的感測畫素陣列接收指紋影像訊號。在一實施例中，為了處理來自於畫素陣列的指紋影像訊號，指紋訊號處理電路可包含數個通道，其中每一通道具有一類比前端電路和一類比數位轉換器。位於每一通道的類比前端電路和類比數位轉換器可用來處理從不同感測畫素接收的指紋影像訊號。考量電路成本及處理時間，系統中可設置任意數量的類比前端電路及類比數位轉換器。一多路復用器（multiplexer，MUX）電路可設置於畫素陣列及類比前端電路之間，以分時方式切換每一感測畫素的訊號以傳送至對應的通道並由該通道進行處理。或者，一指紋訊號處理電路可包含耦接於一類比數位轉換器的多個類比前端電路，而指紋影像訊號可通過分時方式傳送至類比數位轉換器。

請繼續參考第7圖，補償資訊可依數位形式儲存於查找表730中。當類比前端電路712從一特定感測畫素接收到指紋影像訊號S_FPR或預期從一特定感測畫素接收指紋影像訊號S_FPR時，關於該特定感測畫素的補償資訊可透過補償控制電路726輸出，其可降低或消除指紋影像訊號S_FPR中的固定模式雜訊。在一實施例中，補償控制電路726可從查找表730接收一資料（例如關於該特定感測畫素的固定模式資料），接著將固定模式資料轉換為一固定模式電壓或一固定模式電流之後傳送到切換電容電路722或增益電路724。固定模式電壓／電流可作為如第7圖所示的補償訊號S_COMP。如此一來，類比前端電路712即可對固定模式雜訊進行補償，進而在類比域中降低或消除固定模式雜訊。

在一實施例中，查找表730可透過一揮發性記憶體（volatile memory）來實現，用來儲存固定模式資料，揮發性記憶體可設置在指紋訊號處理電路70中，或者設置為獨立於指紋訊號處理電路70的一記憶體模組。舉例來說，若指紋訊號處理電路70為行動電話的指紋處理積體電路時，可在指紋處理積體電路中設置一靜態隨機存取記憶體（Static Random Access Memory，SRAM），用來儲存用於補償的固定模式資料（如儲存為查找表730）。一般來說，常見的記憶體裝置，例如單次可編程記憶體（One-Time Programmable Memory，OTP Memory）、快閃記憶體（flash memory）及緩衝器（buffer）等，皆需佔用積體電路中相當大的面積，因而無法用於具有小電路面積需求的指紋處理積體電路。因此，本發明可在指紋處理積體電路中使用尺寸較小的靜態隨機存取記憶體。然而，靜態隨機存取記憶體為揮發性記憶體，其儲存的資料會在斷電之後消失。因此，補償資訊可預先儲存在行動電話的主機記憶體當中，並且在指紋處理積體電路上電時寫入靜態隨機存取記憶體。在此情形下，在補償過程中，相對應的補償訊號S_COMP可根據靜態隨機存取記憶體（即查找表730）所儲存的資訊而輸出。揮發性記憶體（如靜態隨機存取記憶體）的使用使得指紋訊號處理電路70可在不需設置大型記憶體模組的情況下取得補償資訊，有利於減少面積和節省成本之目的。

在實際應用上，包含對應於一指紋感測器的所有補償資訊的檔案約為73k位元組，而行動電話中可利用的系統儲存空間大約為30M位元組的數量級，因此，補償資訊不致造成行動電話系統之記憶體的龐大負擔。在此情況下，相較於在指紋處理積體電路中設置大面積的非揮發性記憶體而言，在行動電話的系統記憶體空間儲存補償資訊並且在積體電路上電時將補償資訊寫入靜態隨機存取記憶體的方法更加易於實現。

在一實施例中，補償控制電路726可包含有一數位類比轉換器（Digital-to-Analog Converter，DAC），用來將數位形式的固定模式資料轉換為電壓或電流訊號。更明確來說，補償控制電路726可包含用來將數位資料轉換為電壓值的電壓式數位類比轉換器（voltage DAC），或者包含用來將數位資料轉換為電流值的電流式數位類比轉換器（current DAC）。

在本發明的補償機制中，對應於不同位置的補償資訊可根據所接收的指紋影像訊號來自於哪一感測點或感測畫素，分別從查找表730取得。如上所述，位於透鏡中央區域的至少一感測畫素可具有較大的固定模式雜訊，因此補償控制電路726應輸出較大的補償訊號S_COMP來消除固定模式雜訊。相反地，位於透鏡周圍區域的至少一感測畫素可具有較小的固定模式雜訊，因此補償控制電路726應輸出較小的補償訊號S_COMP來消除固定模式雜訊。用於每一感測畫素的補償訊號S_COMP可根據手指觸摸位置或至少一感測畫素相對於透鏡及面板結構的位置而取得，此位置資訊為已知資訊且具有固定模式，因此，相對應的補償資訊可預先儲存於記憶體中。

在部分實施例中，類比前端電路包含有具有一可變電容值的補償電容，其可變電容值可根據補償訊號來進行調整。在同一實施例或另一實施例中，通過類比前端電路的電流受控於具有一可變電壓準位的至少一電壓訊號，其可變電壓準位可根據補償訊號來進行調整。

值得注意的是，補償控制電路726可發送補償訊號S_COMP至切換電容電路722或增益電路724中任何可行的節點。舉例來說，補償訊號S_COMP可耦合至切換電容電路722的輸入端、增益電路724的輸出端、或切換電容電路722與增益電路724之間。請參考第8圖，第8圖為類比前端電路712的基本結構之示意圖，其繪示了切換電容電路722及增益電路724的詳細電路結構。如第8圖所示，切換電容電路722可用來從至少一感測畫素接收指紋影像訊號S_FPR並且對指紋影像訊號S_FPR進行取樣，切換電容電路722可包含電容CSHR和CSHS以及數個開關器，用以實現相關雙取樣電路（Correlated Double Sampling Circuit，CDS Circuit）。這些開關器可在不同相位中交替開啟或關閉，以對指紋影像訊號S_FPR進行取樣。增益電路724耦接於切換電容電路722的輸出端，其可用來放大接收到的訊號以產生類比輸出訊號V_ADC，增益電路724包含二級運算放大器A1及A2，透過二級運算放大器A1及A2，增益電路724可對接收到的指紋影像訊號S_FPR進行二次放大。

在此例中，取樣操作包含二個步驟。在步驟1中，切換電容電路722可接收一重置電壓V_RST，此重置電壓V_RST可耦合至電容CSHR並儲存在電容CSHR中。在步驟2中，切換電容電路722可接收包含有指紋影像訊號S_FPR資訊的一電壓訊號V_SIG，此電壓訊號V_SIG可耦合至電容CSHS並儲存在電容CSHS中。電壓訊號V_SIG和重置電壓V_RST之間具有一電壓差∆V，此電壓差∆V對應於指紋影像訊號S_FPR的波峰和波谷資訊。這些參數之間應滿足下列方程式：

。

透過以上二個步驟取得的重置電壓V_RST及電壓訊號V_SIG的電位差∆V可從切換電容電路722輸出至增益電路724，再由增益電路724進行放大。因此，相關的傳遞函數可表示為：

；

其中，AG代表增益電路724的整體增益值（即運算放大器A1及A2的增益的組合）。

在包含補償控制電路726的情況下，該補償機制可用來消除指紋感測器產生的固定模式雜訊，以在欲輸出至類比數位轉換器714的類比輸出訊號V_ADC中減去對應於固定模式雜訊的一電壓訊號V_COMP，使得類比前端電路712的傳遞函數變成：

；

其中，電壓訊號V_COMP具有對應於補償訊號S_COMP的電壓值。需注意的是，在另一實施例中，補償訊號S_COMP亦可是一電流訊號，或者可被轉換為一等效電流訊號。在此例中，補償控制電路726可根據感測畫素的位置，針對來自於不同畫素的指紋影像訊號S_FPR產生不同電壓訊號V_COMP。

在一實施例中，補償訊號S_COMP可耦合至切換電容電路722的輸入端。請參考第9圖，第9圖為本發明實施例一類比前端電路90之示意圖。如第9圖所示，類比前端電路90的結構類似於第8圖中類比前端電路712的結構，故功能相似的訊號或元件皆以相同符號表示。類比前端電路90與類比前端電路712之間的差異在於，類比前端電路90另包含一增益電路902和一電容單元C_COMP。增益電路902的輸出端耦接於切換電容電路722的輸入端，且增益電路902的輸入端耦接於電容單元C_COMP。在此例中，補償訊號S_COMP可從電容單元C_COMP的一端耦合至增益電路902的輸入端，以傳送到類比前端電路90中對固定模式雜訊進行補償。

更明確來說，在增益電路902中，電容CS和CF以及運算放大器A3可形成一電壓放大器（其增益等於-CF/CS），而電容單元C_COMP搭配一電壓訊號∆Vos可產生一電流，此電流通過電壓放大器之後輸出至後端的切換電容電路722及增益電路724，進而實現訊號補償。

詳細來說，根據第9圖所示的類比前端電路90的電路結構，關於類比前端電路90中增益電路902、切換電容電路722及增益電路724的操作可大致包含以下步驟（未包含電壓訊號∆Vos及其對應的電容單元C_COMP的操作的情況）。步驟1係一重置階段，其中增益電路902可接收一重置電壓V_RST，並將重置電壓V_RST輸出至切換電容電路722，使得重置電壓V_RST可耦合至電容CSHR並儲存在電容CSHR中。步驟2係一訊號階段，其中增益電路902可接收指紋影像訊號S_FPR並輸出電壓訊號V_SIG，電壓訊號V_SIG等於：

；

其中，∆V為攜帶有指紋影像的波峰和波谷資訊的電壓訊號。電壓訊號V_SIG可耦合至電容CSHS並儲存在電容CSHS中。在步驟3中，切換電容電路722的輸出訊號可由增益電路724進行放大之後產生類比輸出訊號V_ADC，進而將類比輸出訊號V_ADC輸出至類比數位轉換器714，類比輸出訊號V_ADC等於：

。

在加入電壓訊號∆Vos及電容單元C_COMP的補償之情況下，前述步驟2和3可修改如下。在步驟2中，從增益電路902輸出至切換電容電路722的電壓訊號V_SIG變成：

；

其中，電壓訊號V_SIG可耦合至電容CSHS並儲存在電容CSHS中。在步驟3中，輸出至類比數位轉換器714的類比輸出訊號V_ADC變成：

。

在上述實施例中，電壓訊號∆Vos可結合電容單元C_COMP以實現一等效電流源（其電流值為∆Ios，∆Ios等於C_COMP×∆Vos）。在不改變運作原理的情況下，以上公式亦可改用電流值來表示。

在一實施例中，不同程度的訊號補償可藉由調整電容值或切換補償訊號S_COMP的電壓／電流值來實現。舉例來說，用來耦合電壓訊號∆Vos的電容單元C_COMP可以是一可變電容，而補償控制電路726可根據輸出指紋影像訊號S_FPR的感測畫素位置來調整可變電容的電容值，進而改變輸出至增益電路902的電流訊號值。可替換地，在電壓訊號∆Vos的輸入源和增益電路902之間可設置具有不同數值的多個電容，而補償控制電路726可根據輸出指紋影像訊號S_FPR的感測畫素位置來切換電容的連接方式，進而改變所輸出補償電流的訊號值。在另一實施例中，可從具有不同電壓準位的多個電壓訊號∆Vos中擇一輸出，以實現一目標補償值。補償值的調整方式可根據儲存在靜態隨機存取記憶體中的補償資料來進行控制，以降低或消除因透鏡的設置和面板的結構所造成的不同透光率產生的影響。

值得注意的是，補償訊號S_COMP的輸出方法不限於上述實施例的說明，而電壓訊號∆Vos輸出的位置及其相關補償電流亦不限於第9圖所示的實現方式。舉例來說，在一實施例中，補償訊號S_COMP可耦合至運算放大器A1及A2其中一者的輸入端。更明確來說，一電容單元可分別耦接於運算放大器A1或A2的每一輸入端，而補償訊號S_COMP可從電容單元的一端耦合至運算放大器A1或A2的每一輸入端。

請參考第10圖，第10圖為本發明實施例另一類比前端電路100之示意圖。如第10圖所示，類比前端電路100的結構類似於第9圖中類比前端電路90的結構，故功能相似的訊號或元件皆以相同符號表示。類比前端電路100與類比前端電路90之間的差異在於，在類比前端電路100中，電容單元C_COMP整合在原先設置於運算放大器A1輸入端的電容。電壓訊號∆Vos_p1及∆Vos_n1可分別與原先透過電容傳送至運算放大器A1輸入端的訊號相結合，因此，電壓訊號∆Vos_p1及∆Vos_n1可轉換為補償電流之後由增益電路724接收，其相關運作方式相同於第9圖的實施例，在此不贅述。在此例中，由於類比前端電路中原有的電容可用來接收補償訊號，使得電路面積及成本可獲得進一步的下降。在另一實施例中，補償訊號亦可透過類似的方式施加在運算放大器A2的輸入端。

在另一實施例中，補償訊號S_COMP亦可耦合至增益電路724的輸出端。更明確來說，一電容單元可分別耦接於增益電路724中運算放大器的每一輸出端，而補償訊號S_COMP可從電容單元的一端耦合至運算放大器的輸出端。

請參考第11圖，第11圖為本發明實施例又一類比前端電路110之示意圖。如第11圖所示，類比前端電路110包含有一切換電容電路1102及一增益電路1104。一類比數位轉換器1106未包含在類比前端電路110中，但繪示於第11圖以方便說明。需注意，切換電容電路1102及增益電路1104的電路結構不同於第8圖中切換電容電路722及增益電路724的電路結構，而本領域具通常知識者應了解，關於切換電容電路及增益電路的實現方式不限於本說明書的描述。在此例中，增益電路1104包含有一運算放大器A4，而每一回授電容CF1及CF2分別耦接於運算放大器A4的一輸入端及一輸出端之間。增益電路1104並設置有開關器Φ1_1、Φ1_2、Φ2_1、Φ2_2、Φ3_1及Φ3_2。詳細來說，回授電容CF1及CF2可用來儲存相關於運算放大器A4的資訊，如運算放大器A4的輸入偏移資訊等。舉例來說，為了實現固定模式雜訊的補償，電壓訊號∆Vos_p2及∆Vos_n2可分別透過開關器Φ2_1及Φ2_2耦合至電容CF1及CF2。更明確來說，開關器Φ2_1及Φ2_2的一端分別耦接於電容CF1及CF2，而電壓訊號∆Vos_p2及∆Vos_n2可分別傳送至開關器Φ2_1及Φ2_2的另一端。

值得注意的是，本發明實施例之目的在於提供一種類比前端電路，其可降低或消除所接收的指紋影像訊號中的固定模式雜訊。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，第7圖所示的結構僅為本發明眾多實現方式的一種。在另一實施例中，查找表730可整合到補償控制電路726中。除此之外，補償控制電路726亦可透過其它方式來實現，以輸出電壓或數位形式的補償訊號S_COMP。也就是說，在上述實施例中，補償訊號S_COMP為透過一電容單元耦合至切換電容電路722或增益電路724的電壓訊號，但補償訊號S_COMP亦可通過其它方式來進行耦合。另外，在上述實施例中，指紋訊號處理電路可用於用來感測有機發光二極體面板上的光線之指紋感測器。在另一實施例中，本發明的指紋訊號處理電路亦可應用於一液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）面板、電漿顯示面板（Plasma Display Panel，PDP）、或任何其它類型的顯示面板。可替換地或額外地，指紋感測器可透過任何類型的感測元件來實現，例如互補式金氧半（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）影像感測器（CMOS Image Sensor，CIS）、光敏電阻（photo resistor）等，其不應用來限制本發明的範疇。再者，在上述實施例中，補償資訊可對應各感測畫素的位置而儲存在查找表中。為了節省靜態隨機存取記憶體的使用，可將多個感測畫素合併為一組，以共用相同的補償資訊。

在一實施例中，一組相鄰感測畫素所感測的指紋影像訊號可透過具有相同訊號值的補償訊號來進行補償。如上所述，在透鏡型指紋感測器中，中央區域具有較高的亮度而周圍區域具有較低的亮度。然而，對於二個相鄰感測畫素而言，其往往不具有明顯的亮度差異，因此，即使針對相鄰感測畫素所輸出的指紋影像訊號使用具有相同訊號值的補償訊號，仍可得到良好的補償效果。在此情形下，單一補償資訊即可用於二個相鄰的感測畫素。在一實施例中，每相鄰2×2個感測畫素可結合為一組，以使用相同的補償資訊。由於每4個感測畫素只需要記錄單一補償資訊，所需的記憶體空間可減少為原來的1/4。詳細來說，在決定補償訊號的訊號值的過程中，可對分別從這4個相鄰感測畫素取得的固定模式雜訊的訊號值進行平均，得到的平均值即可作為用於這4個感測畫素的補償值並儲存在查找表中。

值得注意的是，至少一感測畫素的分組方式不限於此。舉例來說，亦可根據3×3或4×4個相鄰感測畫素來進行分組。在另一實施例中，用來補償指紋感測器中感測畫素的補償訊號的訊號值可相對於指紋感測器的透鏡的中間點對稱分布。根據透鏡的對稱特性，所有感測畫素可等分為不同群組，舉例來說，可透過一水平線和一垂直線分為四個象限。只要取得其中一象限中至少一感測畫素的補償資訊，基於對稱性，此補償資訊亦可套用於其它象限中的對應感測畫素。

上述關於降低或消除固定模式雜訊的運作方式可歸納為一訊號處理流程120，如第12圖所示。訊號處理流程120可實現於耦接於一指紋感測器的指紋訊號處理電路，該指紋感測器用來感測顯示面板上的光線，更明確來說，訊號處理流程120可實現於指紋訊號處理電路所包含的一類比前端電路，該類比前端電路耦接於類比數位轉換器的輸入端。訊號處理流程120可包含以下步驟：

步驟1200：開始。

步驟1202：從指紋感測器的至少一感測畫素接收一影像訊號。

步驟1204：接收一補償訊號，並根據補償訊號來降低影像訊號上的一固定模式雜訊以產生一類比輸出訊號，其中，補償訊號的訊號值對應於指紋感測器中手指的觸摸位置。

步驟1206：將類比輸出訊號轉換為一數位碼。

步驟1208：結束。

關於訊號處理流程120的詳細運作及變化方式可參考前述段落的說明，在此不贅述。

綜上所述，本發明的實施例提供了一種可用於指紋辨識系統的指紋感測器的方法及電路結構。本發明的實施例可在類比數位轉換器前端的類比前端電路對影像訊號進行補償。當至少一感測畫素的指紋影像訊號減去補償訊號之後，可透過增益電路對指紋影像訊號進行放大，放大後的訊號即可輸出至類比數位轉換器，以實現提升類比數位轉換器效率的目的。此實施例可降低或消除固定模式雜訊及／或提高類比數位轉換器的效能。

在部分實施例中，由於透鏡型影像感測器的光學特性，透鏡的中央區域具有較高亮度而透鏡的周圍區域具有較低亮度，使得從不同位置的感測畫素所輸出的訊號具有不同的固定模式雜訊值，固定模式雜訊亦可能受到面板結構的影響。固定模式雜訊的差異可造成類比數位轉換器產生大量的無效碼，因此，本發明的實施例可在類比數位轉換器前端的類比前端電路對影像訊號進行補償，可降低或消除固定模式雜訊並提高類比數位轉換器的效能。

除此之外，指紋訊號處理電路（例如指紋處理積體電路）可採用尺寸較小的揮發性記憶體（例如靜態隨機存取記憶體）來儲存相關的補償資訊。對於不同感測畫素而言，可預先測量固定模式雜訊並且將相關的補償資訊儲存在系統記憶體中。當指紋處理積體電路上電時，即可將補償資訊載入指紋處理積體電路中的靜態隨機存取記憶體。

在指紋感測過程中，補償控制電路可根據手指的觸摸位置，輸出對應的補償訊號至類比前端電路。在一實施例中，可使用一電容將補償電壓訊號轉換為電流訊號之後耦合至切換電容電路的輸入端、增益電路的輸入端、增益電路的輸出端、或類比前端電路中的其它節點。針對不同觸摸位置或不同感測畫素可調整電容值，或者可採用不同的補償訊號數值，以對應不同位置上的固定模式雜訊的差異。

當至少一感測畫素的指紋影像訊號減去補償訊號之後，可透過增益電路對指紋影像訊號進行放大，放大後的訊號即可輸出至類比數位轉換器，以實現提升類比數位轉換器效率的目的。在實際電路中，固定模式雜訊的補償可在類比前端電路中執行，且當類比數位轉換器執行轉換而產生數位碼之後，可再執行數位域的另一補償，進而完整消除固定模式雜訊。

本文所引用的所有參考文獻，包括出版物、專利申請和專利等，通過引用的方式被包含於此，所引用的程度如同單獨地及具體地將各個參考文獻所指示的內容通過引用被包含於此並在此整體進行闡述。

在本說明書的內文（尤其是權利要求書的內文）中使用的措辭「一」和「一個」和「該」和「至少一」等類似指示用詞應被解釋為涵蓋單數及複數，除非本文另外指示或上下文明顯矛盾。所使用的措辭「至少一」連接一列的一或多個項目（例如A和B中的至少一個）應被解釋為從所列出的項目中選擇一個項目（A或B）或所列出的項目中二個或多個項目的任意組合（A及B），除非本文另外指示或上下文明顯矛盾。措辭「包含」、「具有」、「包括」以及「涵蓋」應被解釋為開放式術語（即表示「包含但不限於」），除非另外註明。本文記載的數值範圍僅意圖用於單獨地引用落入該範圍內的各別數值的快捷方法，且每一各別數值都被包含在說明書中，如同在本文中列舉。

本文描述的所有方法都可以以任何適當的順序來執行，除非本文另外指示或上下文明顯矛盾。在此使用的任何和所有實施例或示例性語言（如「例如」），僅僅是為了更好地闡釋本發明，並不限制本發明的範圍，除非另有聲明。說明書中的任何語言都不應被解釋為指示對本發明的實施來說關鍵的任何非專利保護元素。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

40:指紋感測系統 400:指紋感測器 402, 70:指紋訊號處理電路 404:主機裝置 412, 712, 90, 100, 110:類比前端電路 414, 714, 1106:類比數位轉換器 416:數位訊號處理電路 S_FPR:指紋影像訊號 IMG_O:輸出影像資料 722, 1102:切換電容電路 724, 902, 1104:增益電路 726:補償控制電路 730:查找表 S_COMP:補償訊號 V_ADC:類比輸出訊號 D_ADC:數位碼 CSHR, CSHS, CS, CF:電容 A1, A2, A3, A4:運算放大器 V_RST:重置電壓 V_SIG, ∆Vos, ∆Vos_p1, ∆Vos_n1, ∆Vos_p2, ∆Vos_n2:電壓訊號 C_COMP:電容單元 CF1, CF2:回授電容 Φ1_1, Φ1_2, Φ2_1, Φ2_2, Φ3_1, Φ3_2:開關器 120:訊號處理流程 1200～1208:步驟

第1圖繪示一種有機發光二極體面板的範例。第2圖繪示一透鏡之下指紋影像的亮度分布範例。第3圖為一有機發光二極體面板的不同位置上因圖案造成不同透光率的範例之示意圖。第4圖為本發明實施例一指紋感測系統之示意圖。第5圖為不同位置的二個感測畫素產生的指紋影像訊號之示意圖。第6圖為指紋影像訊號進入類比數位轉換器之前在類比前端電路中降低或消除固定模式雜訊的實現方式之示意圖。第7圖為本發明實施例一指紋訊號處理電路之示意圖。第8圖為類比前端電路的一種基本結構之示意圖。第9圖為本發明實施例一類比前端電路之示意圖。第10圖為本發明實施例另一類比前端電路之示意圖。第11圖為本發明實施例又一類比前端電路之示意圖。第12圖為本發明實施例一訊號處理流程之示意圖。

70:指紋訊號處理電路

712:類比前端電路

714:類比數位轉換器

722:切換電容電路

724:增益電路

726:補償控制電路

730:查找表

S_FPR:指紋影像訊號

S_COMP:補償訊號

V_ADC:類比輸出訊號

D_ADC:數位碼

Claims

一種用於一指紋感測器的指紋訊號處理電路，該指紋感測器用來感測一手指接觸的一顯示面板的光線，該指紋訊號處理電路包含有：一類比前端電路（Analog Front-End Circuit，AFE circuit），用來從該指紋感測器接收一影像訊號並產生一類比輸出訊號，該類比前端電路包含有：一增益電路，用來接收一補償訊號，並根據該補償訊號來處理該影像訊號以產生該類比輸出訊號，其中，該補償訊號的訊號值對應於該指紋感測器中該手指的觸摸位置；以及一類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC），耦接於該類比前端電路，用來將該類比輸出訊號轉換為一數位碼。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中該增益電路用來根據該補償訊號，降低該影像訊號上的一固定模式雜訊（Fixed Pattern Noise，FPN）。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，另包含有：一補償控制電路，耦接於該類比前端電路，用來執行以下步驟：從一查找表接收一資料；以及將該資料轉換為一電壓或一電流作為該補償訊號。
如請求項3所述之指紋訊號處理電路，其中該查找表中的該資料儲存於一揮發性記憶體。
如請求項2所述之指紋訊號處理電路，其中該固定模式雜訊包含由該指紋感測器的一透鏡所造成的雜訊，該透鏡在不同位置上具有不同透光率。
如請求項2所述之指紋訊號處理電路，其中該固定模式雜訊包含由該顯示面板之一圖案所造成的雜訊，該圖案在該顯示面板的不同位置上具有不同透光率。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中該補償訊號的訊號值係根據該手指的觸摸位置相對於該指紋感測器的一透鏡及該顯示面板當中至少一者來決定。
如請求項7所述之指紋訊號處理電路，其中位於該透鏡的中央區域之一第一感測畫素係利用具有一第一訊號值的該補償訊號進行補償，且位於該透鏡的周圍區域之一第二感測畫素係利用具有一第二訊號值的該補償訊號進行補償，其中，該第二訊號值小於該第一訊號值。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中該類比前端電路包含有一補償電容，該補償電容具有一可變電容值，該可變電容值係根據該補償訊號進行調整。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中通過該類比前端電路之一電流受控於至少一電壓訊號，該至少一電壓訊號具有一可變電壓準位，該可變電壓準位係根據該補償訊號進行調整。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中該類比前端電路的該增益電路另包含有：一切換電容電路（switching capacitor circuit），具有一輸入端及至少一輸出端；以及一或多個第一增益電路，耦接於該切換電容電路的該至少一輸出端。
如請求項11所述之指紋訊號處理電路，其中該補償訊號耦合至該切換電容電路的該輸入端。
如請求項12所述之指紋訊號處理電路，其中該增益電路另包含有一電容單元及一第二增益電路，該第二增益電路具有一輸入端及一輸出端，該第二增益電路的該輸入端耦接於該電容單元，該第二增益電路的該輸出端耦接於該切換電容電路的該輸入端，其中，該補償訊號係從該電容單元的一端耦合至該第二增益電路的該輸入端。
如請求項11所述之指紋訊號處理電路，其中該補償訊號耦合至該一或多個第一增益電路中的一第一增益電路的一輸入端。
如請求項14所述之指紋訊號處理電路，其中該增益電路另包含有一第二增益電路，該第二增益電路具有一輸入端及一輸出端，該第二增益電路的該輸出端耦接於該切換電容電路的該輸入端，且該一或多個第一增益電路中的該第一增益電路包含有一電容單元及一運算放大器電路，該運算放大器電路具有一輸入端，該運算放大器電路的該輸入端耦接於該電容單元，其中，該補償訊號係從該電容單元的一端耦合至該一或多個第一增益電路中的該第一增益電路的該輸入端。
如請求項11所述之指紋訊號處理電路，其中該補償訊號耦合至該一或多個第一增益電路中的一第一增益電路的一輸出端。
如請求項16所述之指紋訊號處理電路，其中該一或多個第一增益電路中的該第一增益電路包含有一電容單元及一運算放大器電路，該運算放大器電路具有一輸入端及一輸出端，該運算放大器電路的該輸出端耦接於該電容單元，其中，該補償訊號係從該電容單元的一端耦合至該一或多個第一增益電路中的該第一增益電路的該輸出端。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中該指紋感測器中一組相鄰感測畫素所感測的影像訊號是透過具有相同訊號值的該補償訊號進行補償。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中用來補償該指紋感測器中複數個感測畫素的該補償訊號的訊號值相對於該指紋感測器的一透鏡的中間點對稱分布。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中該顯示面板為一有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示面板。
如請求項1所述之指紋訊號處理電路，其中該指紋感測器包含一透鏡。
一種處理指紋訊號的方法，用於一指紋訊號處理電路，該指紋訊號處理電路耦接於一指紋感測器，該指紋感測器用來感測一手指接觸的一顯示面板的光線，該方法包含有：從該指紋感測器接收一影像訊號；接收一補償訊號，並根據該補償訊號來處理該影像訊號以產生一類比輸出訊號，其中，該補償訊號的訊號值對應於該指紋感測器中該手指的觸摸位置；以及將該類比輸出訊號轉換為一數位碼。
如請求項22所述之方法，其中處理該影像訊號之步驟包含有降低該影像訊號上的一固定模式雜訊（Fixed Pattern Noise，FPN）。
如請求項22所述之方法，另包含有：從一查找表接收一資料；以及將該資料轉換為一電壓或一電流作為該補償訊號。
如請求項24所述之方法，其中該查找表中的該資料儲存於一揮發性記憶體。
如請求項23所述之方法，其中該固定模式雜訊包含由該指紋感測器的一透鏡所造成的雜訊，該透鏡在不同位置上具有不同透光率。
如請求項23所述之方法，其中該固定模式雜訊包含由該顯示面板的一圖案所造成的雜訊，該圖案在該顯示面板的不同位置上具有不同透光率。
如請求項22所述之方法，其中該補償訊號的訊號值係根據該手指的觸摸位置相對於該指紋感測器的一透鏡及該顯示面板當中至少一者來決定。
如請求項28所述之方法，其中位於該透鏡的中央區域之一第一感測畫素係利用具有一第一訊號值的該補償訊號進行補償，且位於該透鏡的周圍區域之一第二感測畫素係利用具有一第二訊號值的該補償訊號進行補償，其中，該第二訊號值小於該第一訊號值。
如請求項22所述之方法，其中該指紋訊號處理電路包含有一補償電容，該補償電容具有一可變電容值，且該方法另包含有根據該補償訊號來調整該可變電容值。
如請求項22所述之方法，其中通過該指紋訊號處理電路之一電流受控於至少一電壓訊號，該至少一電壓訊號具有一可變電壓準位，且該方法另包含有根據該補償訊號來調整該可變電壓準位。
如請求項22所述之方法，另包含有：透過具有相同訊號值的該補償訊號，對該指紋感測器中一組相鄰感測畫素所感測的影像訊號進行補償。
如請求項22所述之方法，其中用來補償該指紋感測器中複數個感測畫素的該補償訊號的訊號值相對於該指紋感測器的一透鏡的中間點對稱分布。
如請求項22所述之方法，其中該顯示面板為一有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示面板。
如請求項22所述之方法，其中該指紋感測器包含一透鏡。