CN111666806B - 指纹信号处理电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于指纹传感器的指纹信号处理电路和方法，该指纹传感器用来感测手指接触的一显示屏的光线，该指纹信号处理电路包括一模拟前端电路及一模拟数字转换器。该模拟前端电路可用来从该指纹传感器的至少一感测像素接收一图像信号并产生一模拟输出信号。该模拟前端电路包括一增益电路，该增益电路可用来接收一补偿信号，并根据该补偿信号来处理该图像信号以产生该模拟输出信号，其中，该补偿信号的信号值对应于该指纹传感器中该手指的触摸位置。该模拟数字转换器耦接于该模拟前端电路，可用来将该模拟输出信号转换为一数字码。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号处理电路及方法，尤其涉及一种可用于指纹信号的信号处理电路及方法。
背景技术
指纹识别技术已被广泛用于各式各样的电子产品，例如移动电话、笔记本电脑、平板计算机、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、及便携式电子装置等，用来实现身分识别。通过指纹感测可方便地识别用户身分，用户只须将手指放置在指纹感测板或感测区域上即可登入电子装置，而无须输入冗长且繁琐的用户名称及密码。
请参考图1，图1示出了一有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示屏，显示屏下方设置有一互补式金氧半(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器，用来实现透镜型指纹传感器(CMOS Image Sensor forFingerprint，CIS-FPR)。图像传感器可包括多个感测像素，以阵列方式分布在用来接收指纹图像的感测区域上。一透镜可设置于有机发光二极管显示屏及传感器之间，用来收集光线，透镜可通过任何方式实现，例如贴合在有机发光二极管显示屏底部。指纹传感器的运作原理为，有机发光二极管显示屏向上发出光线，此光线由触碰的手指反射，穿透透镜之后再由传感器所接收。
由于透镜的设置方式和有机发光二极管显示屏的结构，传感器中不同感测像素接收到的光线强度可能受到不同数值大小的噪声干扰，此噪声有关于透镜形状和显示屏结构，因此被称为固定模式噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)。一般来说，固定模式噪声的信号值远大于指纹图像上的波峰对波谷差异，因而导致有效信号难以被放大。鉴于此，现有技术实有改进的必要。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种指纹信号处理电路及方法，其可降低或消除所接收的指纹图像信号中的固定模式噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)。
本发明的一实施例公开了一种用于指纹传感器的指纹信号处理电路，该指纹传感器用来感测手指接触的一显示屏的光线，该指纹信号处理电路包括一模拟前端电路及一模拟数字转换器。该模拟前端电路可用来从该指纹传感器的至少一感测像素接收一图像信号并产生一模拟输出信号。该模拟前端电路包括一增益电路，该增益电路可用来接收一补偿信号，并根据该补偿信号来处理该图像信号以产生该模拟输出信号，其中，该补偿信号的信号值对应于该指纹传感器中该手指的触摸位置。该模拟数字转换器耦接于该模拟前端电路，可用来将该模拟输出信号转换为一数字码。
本发明的另一实施例公开了一种处理指纹信号的方法，用于一指纹信号处理电路，该指纹信号处理电路耦接于一指纹传感器，该指纹传感器用来感测手指接触的一显示屏的光线，该方法包括下列步骤：从该指纹传感器接收一图像信号；接收一补偿信号，并根据该补偿信号来处理该图像信号以产生一模拟输出信号，其中，该补偿信号的信号值对应于该指纹传感器中该手指的触摸位置；以及将该模拟输出信号转换为一数字码。
附图说明
图1示出了一种示例性的有机发光二极管显示屏。
图2示出了一透镜之下指纹图像的示例性亮度分布。
图3为一示例性有机发光二极管显示屏的不同位置上因图案造成不同透光率的示意图。
图4为本发明实施例一指纹感测***的示意图。
图5为不同位置的两个感测像素产生的指纹图像信号的示意图。
图6为指纹图像信号进入模拟数字转换器之前在模拟前端电路中降低或消除固定模式噪声的实现方式的示意图。
图7为本发明实施例一指纹信号处理电路的示意图。
图8为模拟前端电路的一种基本结构的示意图。
图9为本发明实施例一模拟前端电路的示意图。
图10为本发明实施例另一模拟前端电路的示意图。
图11为本发明实施例又一模拟前端电路的示意图。
图12为本发明实施例一信号处理流程的示意图。
其中，附图标记说明如下：
40 指纹感测***
400 指纹传感器
402、70 指纹信号处理电路
404 主机装置
412、712、90、100、110 模拟前端电路
414、714、1106 模拟数字转换器
416 数字信号处理电路
S_FPR 指纹图像信号
IMG_O 输出图像数据
722、1102 切换电容电路
724、902、1104 增益电路
726 补偿控制电路
730 查找表
S_COMP 补偿信号
V_ADC 模拟输出信号
D_ADC 数字码
CSHR、CSHS、CS、CF 电容
A1、A2、A3、A4 运算放大器
V_RST 重置电压
V_SIG、ΔVos、ΔVos_p1、ΔVos_n1、 电压信号
ΔVos_p2、ΔVos_n2
C_COMP 电容单元
CF1、CF2 反馈电容
Φ1_1、Φ1_2、Φ2_1、Φ2_2、Φ3_1、 开关器
Φ3_2
120 信号处理流程
1200～1208 步骤
具体实施方式
请继续参考图1，图1示出了一种示例性有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示屏。基于透镜型的结构，至少一透镜可设置于指纹传感器上方或者包括在指纹传感器中。透镜具有不同位置上存在不同透光率(light transmissionratio)的光学特性，详细来说，透镜可以是一聚光型透镜(collective lens)，其中位于透镜中央区域的至少一感测像素所感测到的光线通常较亮，而位于透镜周围区域的至少一感测像素所感测到的光线通常较暗。因此，实际产生的指纹图像具有如图2所示的示例性亮度分布。
除此之外，由于指纹传感器设置于有机发光二极管显示屏的下方且指纹图像来自于有机发光二极管显示屏的上方，由手指反射的部分光线受到有机发光二极管显示屏结构的阻挡，此结构具有一图案，造成有机发光二极管显示屏的不同位置上具有不同透光率，如图3的示例。然而，指纹传感器实际接收的光线强度仍大致符合相对于透镜位置而言中央区域亮度较高而周围区域亮度较低的特性。
根据上述透镜的特性，假设指纹传感器包括两个感测像素，其中一感测像素位于较亮的中央区域而另一感测像素位于较暗的周围区域，则这两个感测像素将感测到不同的基本亮度，此差异来自于透镜及/或显示屏图案在不同位置上造成的透光率不一致。因此，对不同位置的感测像素而言，传送至后续电路的指纹图像信号将有所差异，也就是说，指纹图像信号具有不同大小的固定模式偏移。此固定模式偏移为透镜的设置和有机发光二极管显示屏的结构之下产生的固定偏移，即指纹图像信号中的固定模式噪声(Fixed PatternNoise，FPN)。位于透镜中央区域的感测像素可能接收较亮的信号，因此具有较高的基本信号；而位于透镜周围区域的感测像素可能接收较暗的信号，因此具有较低的基本信号。
请参考图4，图4为本发明实施例一指纹感测***40的示意图。如图4所示，指纹感测***40可包括一指纹传感器400、一指纹信号处理电路402及一主机装置404。指纹传感器400可以是一光学式指纹传感器，可用来接收从触碰的手指反射的光线，并产生一指纹图像信号S_FPR。在一实施例中，指纹传感器400可以是如图1所示的透镜型指纹传感器，其中，光线是通过透镜来接收。
指纹信号处理电路402可以是实现于芯片中的集成电路(Integrated Circuit，IC)。详细来说，指纹信号处理电路402可包括一模拟前端(Analog Front-End，AFE)电路412、一模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)414及一数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)电路416。当指纹传感器400所产生的(或根据指纹传感器400的感测结果产生的)指纹图像信号S_FPR被输出之后，信号可进入模拟前端电路412，接着由模拟数字转换器414进行处理以产生相应的数字数据码。
一般来说，为了补偿图像信号以实现例如消除固定模式噪声等目的，对应于固定模式噪声的编码(以下称为“固定模式噪声码”)可用于数字信号处理电路416，其可将模拟数字转换器414所产生的数据码减去固定模式噪声码。举例来说，可利用一加法/减法电路或流程来实现将模拟数字转换器414产生的数据码减去对应于固定模式噪声的编码的运算。在对模拟数字转换器414产生的数据码进行处理(包括固定模式噪声的相减)之后，数字信号处理电路416可产生输出图像数据IMG_O，此输出图像数据IMG_O可再传送至主机装置404以进行指纹识别。输出图像数据IMG_O可以在例如固定模式噪声消除之后产生，因而能够反映指纹的波峰波谷差异。
然而，虽然指纹图像信号S_FPR可在数字信号处理电路416中进行补偿(例如消除指纹图像信号S_FPR中的固定模式噪声)，模拟指纹图像信号S_FPR仍可能需要额外的补偿，以进一步提升模拟数字转换器414的效率。举例来说，固定模式噪声仍可能存在模拟指纹图像信号S_FPR中，因而降低了模拟数字转换器414的效率，因此，图像信号的补偿(例如降低或消除固定模式噪声)应在模拟前端电路412当中或前端进行。
请参考图5，图5为不同位置的两个感测像素产生的指纹图像信号S_FPR的示意图，其中，像素1可位于透镜的中央区域且具有较高的固定模式噪声，像素2可位于透镜的周围区域且具有较低的固定模式噪声。指纹图像信号S_FPR中的固定模式噪声是应被消除的偏移或噪声，基于指纹波峰和波谷差异所产生的指纹信号被叠加在固定模式噪声的电平上，此波峰对波谷差异即为欲得到的信号。
假设模拟数字转换器414是10位的模拟数字转换器且最大操作电压为2V，此模拟数字转换器的输出范围包括1024个码位。以此为例说明固定模式噪声和实际指纹波峰对波谷信号的信号值的可能数量级(如数值大小)，固定模式噪声最高可占据大约700个码位，但实际取得的信号(即波峰对波谷差异)仅具有大约40个码位。因此，有效码位的比例相当低，导致模拟数字转换器资源的浪费。
请参考图6，图6为本发明实施例指纹图像信号S_FPR进入模拟数字转换器414之前在模拟前端电路412中降低或消除固定模式噪声的实现方式的示意图。当指纹图像信号S_FPR进入模拟数字转换器414之前，可在模拟前端电路412中对指纹图像信号S_FPR进行模拟补偿，以降低或消除对应于不同位置的感测像素的固定模式噪声。信号可由模拟前端电路412中的增益电路进行放大，如此一来，由于模拟数字转换器414所输出的有效码位的比例大幅增加，因此，通过模拟数字转换器414处理之后产生的数据码更能够有效反映指纹信号。
请参考图7，图7为本发明实施例一指纹信号处理电路70的示意图。如图7所示，指纹信号处理电路70包括一模拟前端电路712及一模拟数字转换器714，为求简化，此处省略了位于模拟数字转换器714之后的电路组件(例如数字信号处理电路)，类似的架构可参考图4的内容。一查找表(Lookup Table，LUT)730(其可包括在模拟前端电路712中或单独设置)另外示于图7以方便说明。模拟前端电路712可用来从一指纹传感器的至少一感测像素接收指纹图像信号S_FPR。模拟前端电路712可包括一切换电容电路722、一增益电路724及一补偿控制电路726。切换电容电路722可用来接收指纹图像信号S_FPR并且对指纹图像信号S_FPR进行采样。增益电路724耦接于切换电容电路722的输出端，可用来放大指纹图像信号S_FPR。需注意的是，增益电路724可包括一或多级的运算放大器，用来实现放大操作。补偿控制电路726耦接于切换电容电路722或增益电路724，可用来发送一补偿信号S_COMP至切换电容电路722或增益电路724。补偿信号S_COMP可降低或消除来自于指纹图像信号S_FPR的固定模式噪声，使得一模拟输出信号V_ADC可被产生并传送至模拟数字转换器714。接着，模拟数字转换器714可将模拟输出信号V_ADC转换为相应的数字码D_ADC。
如上所述，从不同位置的感测像素接收的指纹图像信号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噪声。优选地，补偿信号S_COMP的信号值(例如偏移大小)可对应于指纹传感器中的手指触摸位置，此触摸位置可以是至少一感测像素的位置。更明确来说，补偿信号S_COMP的信号值可根据手指的触摸位置或至少一感测像素的位置相对于指纹传感器的透镜及/或有机发光二极管显示屏的结构来决定，使得补偿信号S_COMP的信号值可反映或代表其相应的固定模式噪声。举例来说，若指纹图像信号S_FPR是从透镜中央区域的一第一感测像素接收时，具有一第一信号值的补偿信号S_COMP可用来补偿此指纹图像信号_FPR；若指纹图像信号S_FPR是从透镜周围区域的一第二感测像素接收时，具有一第二信号值的补偿信号S_COMP可用来补偿此指纹图像信号_FPR。由于从第二感测像素接收的指纹图像信号S_FPR所包含的固定模式噪声小于从第一感测像素接收的指纹图像信号S_FPR所包含的固定模式噪声，第二信号值可小于第一信号值。
值得注意的是，一指纹信号处理电路通常用来从指纹传感器的感测像素阵列接收指纹图像信号。在一实施例中，为了处理来自于像素阵列的指纹图像信号，指纹信号处理电路可包括数个信道，其中每一信道具有一模拟前端电路和一模拟数字转换器。位于每一信道的模拟前端电路和模拟数字转换器可用来处理从不同感测像素接收的指纹图像信号。考虑电路成本和处理时间，***中可设置任意数量的模拟前端电路及模拟数字转换器。一多路复用器(multiplexer，MUX)电路可设置于像素阵列及模拟前端电路之间，以分时方式切换每一感测像素的信号以传送到相应的信道并由该信道进行处理。或者，一指纹信号处理电路可包括耦接于一模拟数字转换器的多个模拟前端电路，而指纹图像信号可通过分时方式传送到模拟数字转换器。
请继续参考图7，补偿信息可依数字形式存储在查找表730中。当模拟前端电路712从一特定感测像素接收到指纹图像信号S_FPR或预期从一特定感测像素接收指纹图像信号S_FPR时，关于该特定感测像素的补偿信息可通过补偿控制电路726输出，其可降低或消除指纹图像信号S_FPR中的固定模式噪声。在一实施例中，补偿控制电路726可从查找表730接收一数据(例如关于该特定感测像素的固定模式数据)，接着将固定模式数据转换为一固定模式电压或一固定模式电流之后传送到切换电容电路722或增益电路724。固定模式电压/电流可作为如图7所示的补偿信号S_COMP。如此一来，模拟前端电路712即可对固定模式噪声进行补偿，从而在模拟域中降低或消除固定模式噪声。
在一实施例中，查找表730可通过一易失性存储器(volatile memory)来实现，用来存储固定模式数据，易失性存储器可设置于指纹信号处理电路70中，或者设置为独立于指纹信号处理电路70的一存储器模块。举例来说，若指纹信号处理电路70是移动电话的指纹处理集成电路时，可在指纹处理集成电路中设置一静态随机存取存储器(Static RandomAccess Memory，SRAM)，用来存储用于补偿的固定模式数据(如存储为查找表730)。一般来说，常见的存储器装置，例如单次可编程存储器(One-Time Programmable Memory，OTPMemory)、闪速存储器(flash memory)及缓冲器(buffer)等，都需要占用集成电路中相当大的面积，因而无法用于具有小电路面积需求的指纹处理集成电路。因此，本发明可在指纹处理集成电路中使用尺寸较小的静态随机存取存储器。然而，静态随机存取存储器是易失性存储器，其存储的数据会在断电之后消失。因此，补偿信息可预先存储在移动电话的主机存储器当中，并且在指纹处理集成电路上电时写入静态随机存取存储器。在此情形下，在补偿过程中，相应的补偿信号_COMP可根据静态随机存取存储器(即查找表730)所存储的信息而输出。易失性存储器(如静态随机存取存储器)的使用使得指纹信号处理电路70可在不需设置大型存储器模块的情况下取得补偿信息，有利于减少面积和节省成本的目的。
在实际应用上，包括对应于一指纹传感器的所有补偿信息的档案约为73k字节，而移动电话中可利用的***存储空间大约为30M字节的数量级，因此，补偿信息不致造成移动电话***的存储器的庞大负担。在此情况下，相较于在指纹处理集成电路中设置大面积的非易失性存储器的方式而言，在移动电话的***存储器空间存储补偿信息并且在集成电路上电时将补偿信息写入静态随机存取存储器的方法更加易于实现。
在一实施例中，补偿控制电路726可包括一数字模拟转换器(Digital-to-AnalogConverter，DAC)，用来将数字形式的固定模式数据转换为电压或电流信号。更明确来说，补偿控制电路726可包括用来将数字数据转换为电压值的电压式数字模拟转换器(voltageDAC)，或者包括用来将数字数据转换为电流值的电流式数字模拟转换器(current DAC)。
在本发明的补偿机制中，对应于不同位置的补偿信息可根据所接收的指纹图像信号来自于哪一感测点或感测像素，分别从查找表730取得。如上所述，位于透镜中央区域的至少一感测像素可具有较大的固定模式噪声，因此补偿控制电路726应输出较大的补偿信号S_COMP来消除固定模式噪声。相反地，位于透镜周围区域的至少一感测像素可具有较小的固定模式噪声，因此补偿控制电路726应输出较小的补偿信号S_COMP来消除固定模式噪声。用于每一感测像素的补偿信号S_COMP可根据手指触摸位置或至少一感测像素相对于透镜及显示屏结构的位置而取得，此位置信息为已知信息且具有固定模式，因此，相应的补偿信息可预先存储在存储器中。
在部分实施例中，模拟前端电路包括具有一可变电容值的补偿电容，其可变电容值可根据补偿信号来进行调整。在同一实施例或另一实施例中，通过模拟前端电路的电流受控于具有一可变电压电平的至少一电压信号，其可变电压电平可根据补偿信号来进行调整。
值得注意的是，补偿控制电路726可发送补偿信号S_COMP至切换电容电路722或增益电路724中任何可行的节点。举例来说，补偿信号S_COMP可耦合至切换电容电路722的输入端、增益电路724的输出端、或切换电容电路722与增益电路724之间。请参考图8，图8为模拟前端电路712的基本结构的示意图，其示出了切换电容电路722及增益电路724的详细电路结构。如图8所示，切换电容电路722可用来从至少一感测像素接收指纹图像信号S_FPR并且对指纹图像信号S_FPR进行采样，切换电容电路722可包括电容CSHR和CSHS以及数个开关器，用以实现相关双采样电路(Correlated Double Sampling Circuit，CDS Circuit)。这些开关器可在不同相位中交替开启或关闭，以对指纹图像信号S_FPR进行采样。增益电路724耦接于切换电容电路722的输出端，其可用来放大接收到的信号以产生模拟输出信号V_ADC，增益电路724包括两级运算放大器A1及A2。通过两级运算放大器A1及A2，增益电路724可对接收到的指纹图像信号S_FPR进行两次放大。
在此例中，采样操作包括两步骤。在步骤1中，切换电容电路722可接收一重置电压V_RST，此重置电压V_RST可耦合至电容CSHR并存储在电容CSHR中。在步骤2中，切换电容电路722可接收包括指纹图像信号S_FPR信息的一电压信号V_SIG，此电压信号V_SIG可耦合至电容CSHS并存储在电容CSHS中。电压信号V_SIG和重置电压V_RST之间具有一电压差ΔV，此电压差ΔV对应于指纹图像信号S_FPR的波峰和波谷信息。这些参数之间应满足下列方程式：
V_SIG＝V_RST+ΔV。
通过以上两步骤取得的重置电压V_RST及电压信号V_SIG的电压差ΔV可从切换电容电路722输出至增益电路724，再由增益电路724进行放大。因此，相关的传递函数可表示为：
V_ADC＝AG×(V_SIG-V_RST)＝AG×ΔV；
其中，AG代表增益电路724的整体增益值(即运算放大器A1及A2的增益的组合)。
在包括补偿控制电路726的情况下，该补偿机制可用来消除指纹传感器产生的固定模式噪声，以在欲输出至模拟数字转换器714的模拟输出信号V_ADC中减去对应于固定模式噪声的一电压信号V_COMP，使得模拟前端电路712的传递函数变成：
V_ADC＝AG×(V_SIG-V_RST)-V_COMP；
其中，电压信号V_COMP具有对应于补偿信号S_COMP的电压值。需注意的是，在另一实施例中，补偿信号S_COMP也可以是一电流信号，或者可被转换为一等效电流信号。在此例中，补偿控制电路726可根据感测像素的位置，针对来自于不同像素的指纹图像信号S_FPR产生不同电压信号V_COMP。
在一实施例中，补偿信号S_COMP可耦合至切换电容电路722的输入端。请参考图9，图9为本发明实施例一模拟前端电路90的示意图。如图9所示，模拟前端电路90的结构类似于图8中模拟前端电路712的结构，故功能相似的信号或组件都以相同符号表示。模拟前端电路90与模拟前端电路712之间的差异在于，模拟前端电路90还包括另一增益电路902和一电容单元C_COMP。增益电路902的输出端耦接于切换电容电路722的输入端，且增益电路902的输入端耦接于电容单元C_COMP。在此例中，补偿信号S_COMP可从电容单元C_COMP的一端耦合至增益电路902的输入端，以传送到模拟前端电路90中对固定模式噪声进行补偿。
更明确来说，在增益电路902中，电容CS和CF以及运算放大器A3可形成一电压放大器(其增益等于-CF/CS)，而电容单元C_COMP搭配一电压信号ΔVos可产生一电流，此电流通过电压放大器之后输出至后端的切换电容电路722及增益电路724，从而实现信号补偿。
详细来说，根据图9所示的模拟前端电路90的电路结构，关于模拟前端电路90中的增益电路902、切换电容电路722及增益电路724的操作可大致包括以下步骤(未包括电压信号ΔVos及其对应的电容单元C_COMP的操作的情况)。步骤1是一重置阶段，其中增益电路902可接收一重置电压V_RST，并将重置电压V_RST输出至切换电容电路722，使得重置电压V_RST可耦合至电容CSHR并存储在电容CSHR中。步骤2是一信号阶段，其中增益电路902可接收指纹图像信号S_FPR并输出电压信号V_SIG，电压信号V_SIG等于：
其中，ΔV为携带有指纹图像的波峰和波谷信息的电压信号。电压信号V_SIG可耦合至电容CSHS并存储在电容CSHS中。在步骤3中，切换电容电路722的输出信号可由增益电路724进行放大之后产生模拟输出信号V_ADC，从而将模拟输出信号V_ADC输出至模拟数字转换器714，模拟输出信号V_ADC等于：
在加入电压信号ΔVos及电容单元C_COMP的补偿的情况下，前述步骤2和3可修改如下。在步骤2中，从增益电路902输出至切换电容电路722的电压信号V_SIG变成：
其中，电压信号V_SIG可耦合至电容CSHS并存储在电容CSHS中。在步骤3中，输出至模拟数字转换器714的模拟输出信号V_ADC变成：
在上述实施例中，电压信号ΔVos可结合电容单元C_COMP以实现一等效电流源(其电流值为ΔIos，ΔIos等于C_COMP×ΔVos)。在不改变运作原理的情况下，以上公式也可改用电流值来表示。
在一实施例中，不同程度的信号补偿可通过调整电容值或切换补偿信号S_COMP的电压/电流值来实现。举例来说，用来耦合电压信号ΔVos的电容单元C_COMP可以是一可变电容，而补偿控制电路726可根据输出指纹图像信号S_FPR的感测像素位置来调整可变电容的电容值，从而改变输出至增益电路902的电流信号值。可替换地，在电压信号ΔVos的输入源和增益电路902之间可设置具有不同数值的多个电容，而补偿控制电路726可根据输出指纹图像信号S_FPR的感测像素位置来切换电容的连接方式，从而改变所输出的补偿电流的信号值。在另一实施例中，可从具有不同电压电平的多个电压信号ΔVos中择一输出，以实现一目标补偿值。补偿值的调整方式可根据存储在静态随机存取存储器中的补偿数据来进行控制，以降低或消除因透镜的设置和显示屏的结构所造成的不同透光率产生的影响。
值得注意的是，补偿信号S_COMP的输出方法不限于上述实施例的说明，而电压信号ΔVos输出的位置及其相关补偿电流也不限于图9所示的实现方式。举例来说，在一实施例中，补偿信号S_COMP可耦合至运算放大器A1及A2其中一者的输入端。更明确来说，一电容单元可分别耦接于运算放大器A1或A2的每一输入端，而补偿信号S_COMP可从电容单元的一端耦合至运算放大器A1或A2的每一输入端。
请参考图10，图10为本发明实施例另一模拟前端电路100的示意图。如图10所示，模拟前端电路100的结构类似于图9中模拟前端电路90的结构，故功能相似的信号或组件都以相同符号表示。模拟前端电路100与模拟前端电路90之间的差异在于，在模拟前端电路100中，电容单元C_COMP整合在原先设置于运算放大器A1输入端的电容。电压信号ΔVos_p1及ΔVos_n1可分别与原先通过电容传送至运算放大器A1输入端的信号相结合，因此，电压信号ΔVos_p1及ΔVos_n1可转换为补偿电流之后由增益电路724接收，其相关运作方式相同于图9的实施例，在此不赘述。在此例中，由于模拟前端电路中原有的电容可用来接收补偿信号，使得电路面积及成本可获得进一步的下降。在另一实施例中，补偿信号也可通过类似的方式施加于运算放大器A2的输入端。
在另一实施例中，补偿信号S_COMP也可耦合至增益电路724的输出端。更明确来说，一电容单元可分别耦接于增益电路724中运算放大器的每一输出端，而补偿信号S_COMP可从电容单元的一端耦合至运算放大器的输出端。
请参考图11，图11为本发明实施例又一模拟前端电路110的示意图。如图11所示，模拟前端电路110包括一切换电容电路1102及一增益电路1104。一模拟数字转换器1106未包括在模拟前端电路110中，但示于图11以方便说明。需注意，切换电容电路1102及增益电路1104的电路结构不同于图8中切换电容电路722及增益电路724的电路结构，而本领域技术人员应了解，关于切换电容电路及增益电路的实现方式不限于本说明书的描述。在此例中，增益电路1104包括一运算放大器A4，而每一反馈电容CF1及CF2分别耦接于运算放大器A4的一输入端及一输出端之间。增益电路1104并设置有开关器Φ1_1、Φ1_2、Φ2_1、Φ2_2、Φ3_1及Φ3_2。详细来说，反馈电容CF1及CF2可用来存储相关于运算放大器A4的信息，如运算放大器A4的输入偏移信息等。举例来说，为了实现固定模式噪声的补偿，电压信号ΔVos_p2及ΔVos_n2可分别通过开关器Φ2_1及Φ2_2耦合至电容CF1及CF2。更明确来说，开关器Φ2_1及Φ2_2的一端分别耦接于电容CF1及CF2，而电压信号ΔVos_p2及ΔVos_n2可分别传送至开关器Φ2_1及Φ2_2的另一端。
值得注意的是，本发明实施例的目的在于提供一种模拟前端电路，其可降低或消除所接收的指纹图像信号中的固定模式噪声。本领域技术人员当可据此进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，图7所示的结构仅为本发明众多实现方式的一种。在另一实施例中，查找表730可整合到补偿控制电路726中。除此之外，补偿控制电路726也可通过其它方式来实现，以输出电压或数字形式的补偿信号S_COMP。也就是说，在上述实施例中，补偿信号S_COMP为通过一电容单元耦合至切换电容电路722或增益电路724的电压信号，但补偿信号S_COMP也可通过其它方式来进行耦合。另外，在上述实施例中，指纹信号处理电路可用于用来感测有机发光二极管显示屏上的光线的指纹传感器。在另一实施例中，本发明的指纹信号处理电路也可应用于一液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)显示屏、电浆显示屏(Plasma Display Panel，PDP)、或任何其它类型的显示屏。可替换地或额外地，指纹传感器可通过任何类型的感测组件来实现，例如互补式金氧半(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)、光敏电阻(photo resistor)等，其不应用来限制本发明的范畴。再者，在上述实施例中，补偿信息可对应各感测像素的位置而存储在查找表中。为了节省静态随机存取存储器的使用，可将多个感测像素结合为一组，以共享相同的补偿信息。
在一实施例中，一组相邻感测像素所感测的指纹图像信号可通过具有相同信号值的补偿信号来进行补偿。如上所述，在透镜型指纹传感器中，中央区域具有较高的亮度而周围区域具有较低的亮度。然而，对于两相邻感测像素而言，其往往不具有明显的亮度差异，因此，即使针对相邻感测像素所输出的指纹图像信号使用具有相同信号值的补偿信号，仍可得到良好的补偿效果。在此情形下，单一补偿信息即可用于两个相邻的感测像素。在一实施例中，每相邻2x2个感测像素可结合为一组，以使用相同的补偿信息。由于每4个感测像素只需要记录单一补偿信息，所需的存储器空间可减少为原来的1/4。详细来说，在决定补偿信号的信号值的过程中，可对分别从这4个相邻感测像素取得的固定模式噪声信号值进行平均，得到的平均值即可作为用于这4个感测像素的补偿值并存储在查找表中。
值得注意的是，至少一感测像素的分组方式并不限于此。举例来说，也可根据3×3或4×4个相邻感测像素来进行分组。在另一实施例中，用来补偿指纹传感器中感测像素的补偿信号的信号值可相对于指纹传感器的透镜的中间点对称分布。根据透镜的对称特性，所有感测像素可等分为不同组，举例来说，可通过一水平线和一垂直线分为四个象限。只要取得其中一象限中至少一感测像素的补偿信息，基于对称性，此补偿信息也可用于其它象限中的相应感测像素。
上述关于降低或消除固定模式噪声的运作方式可归纳为一信号处理流程120，如图12所示。信号处理流程120可实现于耦接于一指纹传感器的指纹信号处理电路，该指纹传感器用来感测显示屏上的光线，更明确来说，信号处理流程120可实现于指纹信号处理电路所包括的一模拟前端电路，该模拟前端电路耦接于模拟数字转换器的输入端。信号处理流程120可包括以下步骤：
步骤1200：开始。
步骤1202：从指纹传感器的至少一感测像素接收一图像信号。
步骤1204：接收一补偿信号，并根据补偿信号来降低图像信号上的一固定模式噪声以产生一模拟输出信号，其中，补偿信号的信号值对应于指纹传感器中手指的触摸位置。
步骤1206：将模拟输出信号转换为一数字码。
步骤1208：结束。
关于信号处理流程120的详细运作及变化方式可参考前述段落的说明，在此不赘述。
综上所述，本发明的实施例提供了一种可用于指纹识别***的指纹传感器的方法及电路结构。本发明的实施例可在模拟数字转换器前端的模拟前端电路对图像信号进行补偿。当至少一感测像素的指纹图像信号减去补偿信号之后，可通过增益电路对指纹图像信号进行放大，放大后的信号即可输出至模拟数字转换器，以实现提升模拟数字转换器效率的目的。此实施例可降低或消除固定模式噪声及/或提高模拟数字转换器的效率。
在部分实施例中，由于透镜型图像传感器的光学特性，透镜的中央区域具有较高亮度而透镜的周围区域具有较低亮度，使得从不同位置的感测像素所输出的信号具有不同的固定模式噪声值，固定模式噪声也可受到显示屏结构的影响。固定模式噪声的差异可能造成模拟数字转换器产生大量的无效码，因此，本发明的实施例可在模拟数字转换器前端的模拟前端电路对图像信号进行补偿，可降低或消除固定模式噪声并提高模拟数字转换器的效率。
除此之外，指纹信号处理电路(例如指纹处理集成电路)可采用尺寸较小的易失性存储器(例如静态随机存取存储器)来存储相关的补偿信息。对于不同感测像素而言，可预先测量固定模式噪声并且将相关的补偿信息存储在***存储器中。当指纹处理集成电路上电时，即可将补偿信息载入指纹处理集成电路中的静态随机存取存储器。
在指纹感测过程中，补偿控制电路可根据手指的触摸位置，输出对应的补偿信号至模拟前端电路。在一实施例中，可使用一电容将补偿电压信号转换为电流信号之后耦合至切换电容电路的输入端、增益电路的输入端、增益电路的输出端、或模拟前端电路中的其它节点。针对不同触摸位置或不同感测像素可调整电容值，或者可采用不同的补偿信号数值，以对应不同位置上的固定模式噪声差异。
当至少一感测像素的指纹图像信号减去补偿信号之后，可通过增益电路对指纹图像信号进行放大，放大后的信号即可输出至模拟数字转换器，以实现提升模拟数字转换器效率的目的。在实际电路中，固定模式噪声的补偿可在模拟前端电路中执行，且当模拟数字转换器执行转换而产生数字码之后，可再执行数字域的另一补偿，从而完整消除固定模式噪声。
本文所引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利等，通过引用的方式被包含于此，所引用的程度如同单独地及具体地将各个参考文献所指示的内容通过引用被包含于此并在此整体进行阐述。
在本说明书的内文(尤其是权利要求书的内文)中使用的措辞“一”和“一个”和“该”和“至少一”等类似指示用词应被解释为涵盖单数及复数，除非本文另外指示或上下文明显矛盾。所使用的措辞“至少一”连接一列的一或多个项目(例如A和B中的至少一个)应被解释为从所列的项目中选择一个项目(A或B)或所列的项目中两个或多个项目的任意组合(A及B)，除非本文另外指示或上下文明显矛盾。措辞“包含”、“具有”、“包括”以及“涵盖”应被解释为开放式术语(即表示“包含但不限于”)，除非另外注明。本文记载的数值范围仅意图用于单独地引用落入该范围内的各别数值的快捷方法，且每一各别数值都被包含在说明书中，如同在本文中列举。
本文描述的所有方法都可以以任何适当的顺序来执行，除非本文另外指示或上下文明显矛盾。在此使用的任何和所有实施例或示例性语言(如“例如”)，仅仅是为了更好地阐释本发明，并不限制本发明的范围，除非另有声明。说明书中的任何语言都不应被解释为指示对本发明的实施来说关键的任何非请求保护元素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (31)
1.一种用于一指纹传感器的指纹信号处理电路，该指纹传感器用来感测手指接触的一显示屏的光线，该指纹信号处理电路包括：
一模拟前端电路，用来从该指纹传感器接收一图像信号并产生一模拟输出信号，该模拟前端电路包括：
一增益电路，用来接收一补偿信号，并根据该补偿信号来处理该图像信号以产生该模拟输出信号，其中，该补偿信号的信号值对应于该指纹传感器中该手指的触摸位置；以及
一模拟数字转换器，耦接于该模拟前端电路，用来将该模拟输出信号转换为一数字码；
其中，该补偿信号的信号值是根据该手指的触摸位置相对于该指纹传感器的一透镜及该显示屏当中至少一者来决定。
2.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该增益电路用来根据该补偿信号，降低该图像信号上的一固定模式噪声。
3.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，还包括：
一补偿控制电路，耦接于该模拟前端电路，用来执行以下步骤：
从一查找表接收一数据；以及
将该数据转换为一电压或一电流作为该补偿信号。
4.如权利要求3所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该查找表中的该数据存储在一易失性存储器。
5.如权利要求2所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该固定模式噪声包括由该指纹传感器的该透镜所造成的噪声，该透镜在不同位置上具有不同透光率。
6.如权利要求2所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该固定模式噪声包括由该显示屏的一图案所造成的噪声，该图案在该显示屏的不同位置上具有不同透光率。
7.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，位于该透镜的中央区域的一第一感测像素是利用具有一第一信号值的该补偿信号进行补偿，且位于该透镜的周围区域的一第二感测像素是利用具有一第二信号值的该补偿信号进行补偿，其中，该第二信号值小于该第一信号值。
8.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该模拟前端电路包括一补偿电容，该补偿电容具有一可变电容值，该可变电容值是根据该补偿信号进行调整。
9.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，通过该模拟前端电路的一电流受控于至少一电压信号，该至少一电压信号具有一可变电压电平，该可变电压电平是根据该补偿信号进行调整。
10.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该模拟前端电路的该增益电路还包括：
一切换电容电路，具有一输入端及至少一输出端；以及
一或多个第一增益电路，耦接于该切换电容电路的该至少一输出端。
11.如权利要求10所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该补偿信号耦合至该切换电容电路的该输入端。
12.如权利要求11所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该增益电路还包括一电容单元及一第二增益电路，该第二增益电路具有一输入端及一输出端，该第二增益电路的该输入端耦接于该电容单元，该第二增益电路的该输出端耦接于该切换电容电路的该输入端，其中，该补偿信号是从该电容单元的一端耦合至该第二增益电路的该输入端。
13.如权利要求10所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该补偿信号耦合至该一或多个第一增益电路中的一第一增益电路的一输入端。
14.如权利要求13所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该增益电路还包括一第二增益电路，该第二增益电路具有一输入端及一输出端，该第二增益电路的该输出端耦接于该切换电容电路的该输入端，且该一或多个第一增益电路中的该第一增益电路包括一电容单元及一运算放大器电路，该运算放大器电路具有一输入端，该运算放大器电路的该输入端耦接于该电容单元，其中，该补偿信号是从该电容单元的一端耦合至该一或多个第一增益电路中的该第一增益电路的该输入端。
15.如权利要求10所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该补偿信号耦合至该一或多个第一增益电路中的一第一增益电路的一输出端。
16.如权利要求15所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该一或多个第一增益电路中的该第一增益电路包括一电容单元及一运算放大器电路，该运算放大器电路具有一输入端及一输出端，该运算放大器电路的该输出端耦接于该电容单元，其中，该补偿信号是从该电容单元的一端耦合至该一或多个第一增益电路中的该第一增益电路的该输出端。
17.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该指纹传感器中一组相邻感测像素所感测的图像信号是通过具有相同信号值的该补偿信号进行补偿。
18.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，用来补偿该指纹传感器中多个感测像素的该补偿信号的信号值相对于该指纹传感器的该透镜的中间点对称分布。
19.如权利要求1所述的指纹信号处理电路，其特征在于，该显示屏为一有机发光二极管显示屏。
20.一种处理指纹信号的方法，用于一指纹信号处理电路，该指纹信号处理电路耦接于一指纹传感器，该指纹传感器用来感测手指接触的一显示屏的光线，该方法包括：
从该指纹传感器接收一图像信号；
接收一补偿信号，并根据该补偿信号来处理该图像信号以产生一模拟输出信号，其中，该补偿信号的信号值对应于该指纹传感器中该手指的触摸位置；以及
将该模拟输出信号转换为一数字码；
其中，该补偿信号的信号值是根据该手指的触摸位置相对于该指纹传感器的一透镜及该显示屏当中至少一者来决定。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，处理该图像信号的步骤包括降低该图像信号上的一固定模式噪声。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：
从一查找表接收一数据；以及
将该数据转换为一电压或一电流作为该补偿信号。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，该查找表中的该数据存储在一易失性存储器。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，该固定模式噪声包括由该指纹传感器的该透镜所造成的噪声，该透镜在不同位置上具有不同透光率。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，该固定模式噪声包括由该显示屏的一图案所造成的噪声，该图案在该显示屏的不同位置上具有不同透光率。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，位于该透镜的中央区域的一第一感测像素是利用具有一第一信号值的该补偿信号进行补偿，且位于该透镜的周围区域的一第二感测像素是利用具有一第二信号值的该补偿信号进行补偿，其中，该第二信号值小于该第一信号值。
27.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该指纹信号处理电路包括一补偿电容，该补偿电容具有一可变电容值，且该方法还包括根据该补偿信号来调整该可变电容值。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，通过该指纹信号处理电路的一电流受控于至少一电压信号，该至少一电压信号具有一可变电压电平，且该方法还包括根据该补偿信号来调整该可变电压电平。
29.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：
通过具有相同信号值的该补偿信号，对该指纹传感器中一组相邻感测像素所感测的图像信号进行补偿。
30.如权利要求20所述的方法，其特征在于，用来补偿该指纹传感器中多个感测像素的该补偿信号的信号值相对于该指纹传感器的该透镜的中间点对称分布。
31.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该显示屏为一有机发光二极管显示屏。
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