CN102036023B - 图像传感器、电子系统和用于控制图像传感器的方法 - Google Patents

图像传感器、电子系统和用于控制图像传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种图像传感器、电子系统和用于控制图像传感器的方法，所述图像传感器包括多个像素、多个检测电路和计数电路。各个检测电路被构造为从与所述检测电路相关联的至少一个所述像素读出电信号，以便产生表示有无光子被所述检测电路接收的数据。计数电路与从所述多个检测电路中选择的检测电路进行通信，并且被构造为基于从所述检测电路接收的数据提供与所述检测电路相关联的所述像素的积分结果。因此，能够以较大的动态范围进行光量测量处理和摄像处理。

Description

图像传感器、电子系统和用于控制图像传感器的方法
相关申请的交叉参考
本申请要求于2009年10月1日向日本专利局提交的日本优先权专利申请2009-229893的优先权，根据法律允许的范围，该文献的全部内容可在本申请中参考使用。
技术领域
本发明涉及例如CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体)图像传感器等摄像装置以及使用了该摄像装置的照相机系统。
背景技术
近些年来，在医疗领域以及生物技术领域中，已研发了用于测量由生物体或从生物体发出的微量光和荧光的技术以及用于摄像的技术。
另外，已将透射摄像技术应用于医疗和安全领域中的产品。根据透射摄像技术，通过闪烁器将通过观察物体的微量X射线转换为在可视水平下的光子，随后，检测光子以便在观察时形成物体的图像。
在这些领域中进行的摄像过程中，使用光子计数器来测量微量光。
通常，光子计数器是一种使用雪崩二极管或光电倍增管的简单装置。
起到光子计数器作用的装置能够将入射到该装置的光接收表面上的每个光子均转换为光电子，并且，通过电场使光电子加速，从而特别是通过由于碰撞形成的二次电子发生使光电子的数量倍增。随后，该装置通过光电子产生电压脉冲。
在任意时间与起到光子计数器作用的装置相连的计数装置对电压脉冲数进行计数。
光子计数器具有允许光子计数器能够检测每个光子的优良的测量精度。但是，在价格方面，使用了光子计数器的系统的价格昂贵，并且， 测量过程的动态范围较窄。
通常，能够利用光子计数器测量的光电子的数量为大约1百万～1千万。
另一方面，对于具有较大范围的测量光量的摄像过程而言，要使用光电二极管和AD(Analog to Digital，模拟数字)转换器。
光电二极管用于累积由光电转换处理所获得的电荷并且用于产生模拟信号。随后，AD转换器将模拟信号转换为数字信号。
但是，上述摄像过程会产生多个问题。其中的一个问题为在模拟信号传送时产生的噪声。另一个问题为AD转换器的速度。
在检测较少量的光时，必须减小所产生的噪声并增大AD转换的位数，以便改善数字信号的分辨率。因此，需要具有非常高的转换速度的AD转换器。另外，为了改善所摄图像的分辨率，必须增加图像的像素数量。因此，用于AD转换的系统的尺寸很大。
更多的信息参见日本专利公开文献No.1995-67034以及No.2004-193675(在下文中，分别将它们称为专利文献1和2)。
事实上，拍摄发出微弱光的图像的操作必须通过减小在操作中产生的噪声并以高精度检测光才能实现，并且，该操作还必须以较大的动态范围来进行。
但是，并没有能够完全满足这些要求的装置。
在试图减小例如由X射线摄像操作引起的沾染量时，需要与光子计数器相同水平的精度。但是，使用普通的光子计数器并不能满足对摄像操作来说充足的动态范围。
另外，为了提高分辨率，要求一种包括计数装置的多像素系统。但是，这种系统非常昂贵。
另一方面，如在专利文献1中披露的那样，提出了一种用于以时分(time-division)为基础对光子数进行计数的新技术。
根据该技术，形成二进制值作为判定在预先确定的时间段内有无入射光子击中光电二极管的结果。对每个光电二极管均进行用于形成二进 制值的处理，并且对这些值求积分以提供二维摄像数据。
即，在预先确定的各个时间段内检测由光电二极管产生的信号，并且，如果在该时间段内由信号表示的入射至光电二极管上的光子数量至少为1，则无论入射至光电二极管上的光子数量如何，连接至与光电二极管对应的像素的计数器均以1为单位向上计数。
如果光子入射至光电二极管上的频率沿时间轴随机变化，则实际的入射光子的数量以及计数器内容遵循泊松分布(Poisson distribution)。因此，对于低频率的光子入射而言，实际入射光子的数量与计数器内容之间的关系为线性。即使频率较高，仍能够以均匀的方式校正实际入射光子的数量与计数器内容之间的关系。
但是，根据在专利文献1中披露的技术，每个像素均需要检测电路和计数器，以致像素的开口面积必然非常小。
更早提到的专利文献2提出这样的结构：采用基于时分的计数技术并且在每个像素均要求检测电路和存储器的像素阵列外侧设置计数器。
另外，尽管可以将计数器设置在像素阵列的外侧这一事实，但是，每个像素均需要一个计数器。因此，包括计数器的芯片的电路尺寸不可避免的较大。
另外，在由专利文献1和2披露的结构中，均试图仅仅通过沿时间轴缩短测量入射光子的间隔并通过提高对像素的存取速度来增大动态范围。
发明内容
本发明的实施例能够通过一种新型的摄像装置克服上述缺陷，该摄像装置能够以较大的动态范围进行即使在较低照明度下也只是产生很小噪声的光量测量处理和摄像处理。这些实施例包括一种使用该摄像装置的新型照相机系统。
一个实施例的图像传感器包括多个像素、多个检测电路和计数电路。各个所述像素被构造为根据在预定时间期间内入射到所述像素上的光子输出电信号。各个所述检测电路被构造为从与所述检测电路相关联的至 少一个所述像素读出电信号，以便产生表示在预定时间期间内有无光子被所述检测电路接收的数据。计数电路被构造为与从所述多个检测电路中选择的检测电路进行通信。计数电路被构造为基于从所述检测电路接收的数据提供与所述检测电路相关联的所述像素的积分结果。
一个实施例的电子系统包括光学系统和图像传感器。该光学系统包括透镜。图像传感器被构造为从光学系统接收入射光。图像传感器包括多个像素块、多个检测电路和计数电路。各个所述像素块包括与公共信号线相连的像素组。各个所述像素被构造为根据入射到所述像素上的光子输出电信号。各个所述检测电路与对应的像素块相关联。各个所述检测电路被构造为从所述像素组读出电信号，并为所述像素组内的各个像素产生表示有无光子被所述像素接收的数据。计数电路与所述多个检测电路选择性地相连，并且被构造为基于从所述多个检测电路中的各个所选择的检测电路接收的数据提供积分结果。
一个实施例的种方法包括如下步骤：对第一像素进行第一存取操作，对所述第一像素进行第二存取操作。该方法包括对所述第一像素进行第一计数操作。所述第一计数操作在所述第一像素的第一存取操作与所述第一像素的第二存取操作之间进行。对第二像素进行第一存取操作。所述第二像素的第一存取操作在所述第一像素的第二存取操作之前进行。
一个实施例的方法包括进行第一计数操作和第二计数操作。所述第一计数操作是基于从与第一像素相关联的第一检测电路接收的二进制值进行的。所述第二计数操作是基于从与第二像素相关联的第二检测电路接收的二进制值进行的。所述第一计数操作和所述第二计数操作通过公共计数电路进行。
根据本发明的实施例，在无需减小像素的开口率的情况下，不对模拟信号进行处理并且即使以低照明强度也仅产生很小的噪声，因而能够以较大的动态范围进行光量测量处理和摄像处理。
附图说明
通过以下参照附图给出的对优选实施例的说明，将能理解本发明的这些和其它改进以及本发明的特点。
图1为显示了用作本发明第一实施例的摄像装置的CMOS图像传感器的结构的框图。
图2为说明在第一实施例的摄像装置中使用的光接收部的概念的说明性图。
图3为显示了平均入射光子计数与计数概率(count probability)之间的关系的图，所述平均入射光子计数代表入射到与图2所示的光接收部的网孔对应的单位格子上的光子数量。
图4为显示了第一实施例的像素的电路结构的电路图。
图5为说明在第一实施例中对像素块的循环存取的说明性图。
图6为显示了具有自参照功能的检测电路的电路图。
图7A～图7F为时序图，它们显示了以图4的电路图所示的像素作为例子，说明由图6的电路图所示的检测电路进行的读取操作的多个时序图，其中，所述检测电路用作具有自参照功能的检测电路。
图8为显示了作为第一实施例的像素块的对应部分的、本发明第二实施例的包含数字像素的像素块的结构的说明性图，其中，各个数字像素设有内部放大光电二极管。
图9A和图9B为显示了根据本发明第三实施例将摄像装置应用于CT(Computer Tomography，计算机断层扫描)摄像操作的摄像设备的多个概念图。
图10为显示了用作本发明第三实施例的光接收装置的线型摄像设备的图，该摄像设备包括沿一维线布置的摄像装置。
图11为显示了根据本发明第四实施例使用固体摄像装置的照相机系统的结构的框图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施例进行说明。需说明的是，按照以下段落的顺序说明优选实施例。
1.实施例的摄像装置的特征的概述
2.第一实施例(摄像装置的第一种结构)
3.第二实施例(摄像装置的第二种结构)
4.第三实施例(摄像装置的应用例)
5.第四实施例(照相机系统)
1. 实施例的摄像装置的特征的概述
本发明的每个实施例均能够实现用作摄像装置的CMOS图像传感器的最佳结构。该CMOS图像传感器为全数字式图像传感器，其能够对入射光子的数量进行计数以便执行高速并行读取操作。
首先，CMOS图像传感器的每个像素输出表示在预先确定的时间段内有无光子撞击像素的电信号。随后，检测电路多次接收电信号以便产生二进制值，该二进制值表示在1帧时间段期间有无光子撞击与检测电路相关联的像素的判定结果。之后，摄像装置通常对二进制值进行积分以便为每个像素产生灰度数据。
每个实施例的摄像装置均具有基于上述基本结构的专门/特有的结构。
通过摄像装置进行的时分光子计数操作是这样的操作：该操作将光子检测处理改变为对预先确定的每个循环重复进行的检测处理，以便避免系统必须始终监测由入射光子产生的脉冲。
关注时分光子计数操作，本发明的发明人设计的每个实施例均放弃了每个像素均设有检测电路和计数器的结构。取而代之，以分级结构布置三种元件(即，像素、检测电路和计数器)。
即，以时分光子计数操作为前提，在每个实施例中，多个像素共用一个公共检测电路和/或多个这类检测电路共用一个公共计数电路。
在每个实施例中，通常，通过公共检测电路从共用检测电路的多个像素循环地读出电信号，从而在前一读取操作与当前读取操作之间的时间段进行曝光。因此，多个像素共用公共检测电路不会对曝光时间产生压力。
另外，在进行对判定结果的计数(积分)操作和/或将从判定结果计数 操作获得的数据存储到存储器的操作的同时，可以开始下一次曝光。因此，即使由多个检测电路共用一个公共计数电路会增加进行对判定结果计数操作所需的时间，但共用一个公共计数电路也不会对曝光时间产生压力。在以下说明中，对判定结果计数的操作也指光子计数操作。
另外，在每个实施例中，求出对多个像素进行的光子计数操作的结果的总和，从而能够增大光子计数操作的动态范围。
然而，如果求出对共用公共计数电路的多个像素进行的光子计数操作的结果的总和，则在存储器中的相同地址处能够存储针对不同像素获得的结果的总和。因此，能够非常容易地进行该操作。
另外，具有用作光接收部的像素阵列部的摄像装置具有这样的功能：求出对整个光接收部进行的光子计数操作的结果的总和，以便计算入射至摄像装置上的光的总量。通常通过在靠近摄像装置的数据输出部附近设置独立的外部加法器，能够容易地实现该功能。
由此，光接收部可以被构造为使用布置成一行像素或像素矩阵的多个像素，并且，可以将各个像素行或像素矩阵用作光检测单元。因此，能够非常精细地检测光。另外，能够以较大动态范围进行摄像操作。
根据具有上述结构的各个实施例，能够显著减小光子计数处理所需的电路的尺寸。另外，通过使用使半导体摄像装置实现小型化的技术，能够在大量像素上进行高性能的光子计数操作。
通过由两种划分，即沿时间轴方向的划分和光入射面的划分获得的网孔的总数，确定光子计数操作的动态范围。对于各个网孔，产生二进制值作为表示判定结果的值。
通过可以由半导体制造技术实现的小型化和高速化，能够提高由网孔数量决定的分辨率和光子计数操作的动态范围。
各个实施例的摄像装置为自身能够以高精度进行检测所接收的光量的处理并进行摄像处理的单元。另外，各自用作光接收装置的多个这种摄像装置被布置为形成能够以大动态范围并以高精度进行摄像处理的摄像系统。
由于光接收装置具有内置光子计数功能，因此，无需使用昂贵的外部设备，就能容易地构成使用该摄像装置的照相机系统。
另外，执行光接收装置的光子计数功能，从而通过采用全数字技术直接对入射至摄像装置上的光子数量进行计数。因此，几乎不会存在如普通模拟成像器那样的光接收装置之间的灵敏度变化。即，不必提供用于消除光接收装置之间灵敏度变化的部分。
例如，如果将各个实施例的摄像装置与闪烁器一起使用，仅通过使用微量X射线进行透射摄像操作，能够减小沾染量。也可提高通过使用X射线进行的透射摄像技术的精度和分辨率。另外，使用各个实施例的摄像装置和闪烁器的系统的价格非常低。
以下的说明解释了具有上述特性的各自用作一个实施例的摄像装置的CMOS图像传感器的细节。
2. 第一实施例
图1为显示了用作本发明第一实施例的摄像装置的CMOS图像传感器100的结构的框图。
整体结构的概述
如图所示，CMOS图像传感器100使用了像素阵列部110、检测电路部120、输出信号线组130以及判定结果积分电路部150。
如后面说明的那样，在CMOS图像传感器100中，多个像素共用一个检测电路。
另外，在CMOS图像传感器100中，属于一列的多个像素DPX和用于选择一个像素DPX的像素选择电路(在附图中未示出)形成像素块160-0、160-1、160-2、160-3等像素块中的一个像素块。
因此，CMOS图像传感器100具有行驱动电路170和行控制线组180。该行驱动电路170用于驱动在像素阵列部110中使用的各个像素DPX，以便把由被驱动的像素DPX产生的电信号输出至输出信号线131。
像素阵列部110包括多个数字像素DPX，这些数字像素DPX沿行和列的方向布置形成矩阵。
各个数字像素DPX使用具有将入射至光电转换元件的光转换为电信号的功能的光电转换元件。
如上所述，属于一列的多个像素DPX和像素选择电路形成各个像素块160-0、160-1、160-2、160-3等。
CMOS图像传感器100包括电路块200。电路块200在预先确定的时间段产生经输出信号线131传输的电信号的二进制值作为判定结果，对各个数字像素而言对上述多个判定结果进行多次积分，计算多个数字像素的积分结果的总和，并产生通常包括灰度的二维摄像数据。
CMOS图像传感器100也对各自包括多个数字像素DPX的各个像素块160的上述判定结果进行多次积分，以便计算入射至用作光接收部的像素阵列部110上的光量。在图1的框图所示的第一实施例的CMOS图像传感器100中，像素块160为像素块160-0、160-1、160-2、160-3等。
CMOS图像传感器100还具有如下功能：通过求出各自针对多个数字像素DPX获得的计数结果的总和来增加光子计数操作的动态范围。
从以上说明可以得知，电路块200包括像素阵列部110、检测电路部120和判定结果积分电路部150。
就图1的框图中所示的第一实施例而言，检测电路部120使用了多个检测电路121-0、121-1、121-2、121-3等，这些检测电路分别与在像素阵列部110中包含的像素块160-0、160-1、160-2、160-3等相关联。
检测电路121-0与输出信号线131-0相连，该输出信号线131-0与属于像素块160-0的所有像素DPX-00、DPX-10至DPX-p0的输出节点相连，用作对这些输出节点共用的输出信号线。
即，多个像素DPX-00至DPX-p0共用检测电路121-0。
需说明的是，通常，将各个像素块160-0、160-1、160-2、160-3等中包含的像素的数量设定为整数128。即，各个像素块160-n包括像素DPX-pn，其中，p＝0～127。例如，对于n＝0而言，像素块160-0包括像素DPX-00至DPX-1270。
同样，检测电路121-1与输出信号线131-1相连，该输出信号线131 与属于像素块160-1的所有像素DPX-01、DPX-11至DPX-p1的输出节点相连，用作对这些输出节点共用的输出信号线。
即，多个像素DPX-01至DPX-p1共用检测电路121-1。
对于p＝0～127而言，像素块160-1包括128个像素DPX-01至DPX-1271。
以同样的方式，检测电路121-2与输出信号线131-2相连，该输出信号线131-2与属于像素块160-2的所有像素DPX-02、DPX-12至DPX-p2的输出节点相连，用作对这些输出节点共用的输出信号线。
即，多个像素DPX-02、DPX-12至DPX-p2共用检测电路121-2。
对于p＝0～127而言，像素块160-2包括128个像素DPX-02至DPX-1272。
同样，检测电路121-3与输出信号线131-3相连，该输出信号线131-3与属于像素块160-3的所有像素DPX-03、DPX-13至DPX-p3的输出节点相连，用作对这些输出节点共用的输出信号线。
即，多个像素DPX-03至DPX-p3共用检测电路121-3。
对于p＝0～127而言，像素块160-3包括128个像素DPX-03～DPX-1273。
检测电路部120包括未在图1的框图中示出的其它检测电路。如属于也没有在图1的框图中显示的另一像素块的多个像素所共用的检测电路那样，这些其它检测电路中的各个检测电路均由多个像素共用。
判定结果积分电路部150具有如下功能：针对各个像素多次对已由检测电路121-0～121-3产生的多个判定结果进行积分。判定结果积分电路部150还具有如下功能：计算各自针对多个像素获得的积分结果的总和以便产生通常包括各个像素的灰度的二维摄像数据。
判定结果积分电路部150还具有如下功能：多次对各自包括多个像素的各个像素块160的多个上述判定结果进行积分，以便计算入射至用作光接收部的像素阵列部110上的光量。在图1中框图所示的第一实施例的CMOS图像传感器100中，像素块160为像素块160-0、160-1、160-2、 160-3等。
如图1的框图所示，判定结果积分电路部150使用了寄存器151-0至151-3、寄存器选择电路152、计数电路153和存储器154。
寄存器151-0至151-3用于存储分别由检测电路121-0至121-3产生并分别通过传输线141-0至141-3被传输至寄存器151-0至151-3的判定结果。
寄存器选择电路152为用于依次选择存储在寄存器151-0至151-3中的判定结果并将选择的判定结果供给至计数电路153的部分。
计数电路153对判定结果依次进行积分(计数)操作以便产生积分结果，其中，所述判定结果中的各个判定结果均是为多个像素块160中的一个像素块获得的并且是从寄存器选择电路152选择性地接收的。如图1中的框图所示，存在四个像素块160-0至160-3。计数电路153将积分结果供给至用于存储每个像素的积分结果的存储器154。
计数电路153也求出为多个像素计算的积分结果的总和并将该总和存储在存储器154中。
计数电路153从存储器154加载在以前的像素读取操作中已存储在存储器154中的像素数据。
通过以上的说明能够明显得知，在本发明第一实施例的CMOS图像传感器100中使用的判定结果积分电路部150具有一个计数电路153，该计数电路153用作由寄存器151-0至151-3共用的公共计数电路。换句话说，本发明第一实施例的CMOS图像传感器100具有用作由多个检测电路，即检测电路121-0至121-3共用的公共计数电路的一个计数电路153。
本发明第一实施例的CMOS图像传感器100具有上述专门/特有的结构。
即，通过公共检测电路对像素循环地进行存取，使得CMOS图像传感器100能够跟上多个像素，各个像素均具有更小的尺寸，同时能够确保充分的曝光时间。
另外，CMOS图像传感器100被构造为计数电路(判定结果积分电路 部)由多个检测电路共用。因此，CMOS图像传感器100被设计成具有允许对理想电路尺寸和理想处理速度进行灵活优化的结构。
CMOS图像传感器100具有通过求出计数结果(各个计数结果均是针对多个像素获得的)的总和来增加光子计数操作的动态范围的功能。
随后，参照图2和图3，以下的说明解释了光接收处理和光子计数处理的基本概念，其中，所述光接收处理和光子计数处理是通过由在本实施例的CMOS图像传感器100的电路块200中包含的像素阵列部110形成的光接收部300实现的。
图2为说明了第一实施例的光接收部300的概念的说明性图。
图3为显示了平均入射光子计数与计数概率之间的关系的图，所述平均入射光子计数表示入射至与图2所示的光接收部的网孔对应的单位格子上的光子数量。
需说明的是，仅为了简化图2，将本来具有二维形式的光接收部300的光接收表面显示为光接收部300的一维光接收表面310。
光接收部300的光接收表面310被分为具有相同长度的多个部分。同样，时间轴也被分为具有相同长度的多个部分。利用由被划分的光接收表面310和被划分的时间轴t形成的三维网孔MSH进行光子计数处理(在附图中以二维形式显示)。
每个网孔MSH均与二进制值相关。即，对于每个网孔MSH而言，检测电路部120产生表示有无一个以上光子撞击网孔MSH的判定结果的二进制值。如果判定结果表示光子已撞击网孔MSH，则无需考虑撞击网孔MSH的光子数量，而将与网孔MSH相关的二进制值设定为1。另一方面，如果判定结果表示没有光子撞击网孔MSH，则将与网孔MSH相关的二进制值设定为0。在图2中，与二进制值1相关的网孔MSH显示为粗线方块。另外，在图2中，圆圈表示光子入射事件IVT。在网孔MSH中包含的圆圈的数量为撞击网孔MSH的光子的数量。
判定结果积分电路部150对各自与设定为1的二进制值相关的网孔MSH的总量进行计数，并且将网孔MSH的总量存储在存储器154中。
此处，假设在入射光子的数量沿时间轴t摆动的同时，光子几乎平均、均匀地撞击光接收部300，并且，光子在表面方向上几乎平均、均匀地撞击光接收部300。在这种情况下，总计数与实际入射光子数量之间的关系遵循泊松分布。
如上所述，图3为显示了平均入射光子计数与计数概率之间的关系的图，所述平均入射光子计数表示入射至与网孔对应的单位格子CL上的光子数量。
如图3所示，在少量光以不超过0.1的平均入射光子计数撞击的区域中，入射光子计数以高精度与计数数匹配。
另一方面，在光以不超过0.4的平均入射光子计数撞击的区域中，入射光子计数与计数数之间的关系几乎为线性。
即，如果各自与网孔MSH对应的格子的总量充分大于入射光子计数，则计数值以线性方式反映入射光子计数，从而表示能够以高精度进行计数操作。
另外，通过在表面方向和时间轴t的方向上减小网孔尺寸，能够增加格子的总数。通过以此方式增加格子的总数，能够提高计数的精确性并增大动态范围。
即，所述光接收部300具有通过利用半导体制造工艺中的小型化技术和提高电路速度的技术显著增大光子计数操作的精度和动态范围的潜力。
需说明的是，如果例如光沿表面方向的入射局部地偏至较大程度并且入射光量较大，则最好提供以下所述的结构。
通过将多个网孔放入多个组来处理沿表面方向布置的网孔，其中，各个组至少包括一个格子部分。随后，对于每个组而言，求出属于该组的格子GL的平均数量。最终，进行根据泊松分布的校正处理，以便提高测量的精确度。
可替换地，提供一种有效技术，通过该技术，在光接收表面310的前表面上设置低通滤光器，用作使光接收表面310消除入射光沿表面方 向的偏移的滤光器。在另一种可替换的结构中，在使用闪烁器检测X射线的处理期间，由于X射线入射至闪烁器上，因此，闪烁器射出散射光。因此，闪烁器本身能够起到低通滤光器的作用。
数字像素的功能
下面对数字像素DPX的结构进行说明。在以下的说明中，数字像素DPX也简称为像素。
如以前说明的那样，数字像素DPX使用根据入射光子入射至数字像素DPX上产生模拟电信号的光电转换元件。
用作摄像装置的CMOS图像传感器100具有复位像素DPX的功能和从像素DPX读出电信号的功能。CMOS图像传感器100能够在任意时刻进行复位和读取功能。
复位功能为将像素DPX复位至没有接收入射光的状态的功能。所有的像素DPX均设有透镜，并且，如果需要，还设有滤色镜。希望将透镜和滤色镜设置在使用了像素DPX的光接收部的光接收表面上。
所述像素的基本功能接近普通像素的功能。但是，无需该像素以高精度和良好的线性度输出模拟电信号。
下面，对数字像素的结构加以说明。
图4为显示了第一实施例的像素的电路结构的电路图。
如图4的电路图所示，用作单位像素的像素DPX的结构包括三个晶体管。
详细地说，用作单位像素的数字像素DPX使用了光电二极管111、传输晶体管112、复位晶体管113、放大晶体管114、累积节点115和FD(Floating Diffusion，浮动扩散)节点116。
传输晶体管112的栅极电极与用作行控制线的传输线181相连，而复位晶体管113的栅极电极与也用作行控制线的复位线182相连。
放大晶体管114的栅极电极与FD节点116相连，而放大晶体管114的源极电极与输出信号线131相连。
在像素DPX中，入射至像素的硅基板上的光产生由电子和空穴构成的电子空穴对。光电二极管111在累积节点115中累积电子。
利用预定的时序，使传输晶体管112处于导通状态，这能够使电子被传输至FD节点116。传输至FD节点116的电子驱动放大晶体管114进入导通状态。
通过置于导通状态的放大晶体管114，在读取操作中，从数字像素DPX读出信号电荷作为在输出信号线131上出现的电信号。
可替换地，通过恒定电流电源和电阻器，能够使输出信号线131接地以便进行源极跟随操作。作为另一种可替换的示例，在读取操作之前，暂时使输出信号线131接地，输出信号线131便处于临时接地状态。随后，使输出信号线131处于浮动状态，以便以由放大晶体管114设定的电荷电平输出信号。
与传输晶体管112同时地，使复位晶体管113处于导通状态，以便将累积在光电二极管111中的电子提取到电源，从而将像素复位为电子累积之前就已存在的暗态(dark state)。所述暗态为没有光子入射在数字像素DPX上的状态。
与利用模拟像素的情况相同，像素的电路以及由像素进行的操作的效果可具有多种变化。
但是，模拟像素输出表示入射光子总数的模拟信号。另一方面，数字像素输出指示有无光子撞击数字像素的数字信号。
因此，数字像素的设计概念不同于模拟像素。
首先，对于入射到数字像素上的光子而言，要求数字像素能够产生对光子在数字像素DPX上的入射来说足够大的电信号。
如图4的电路图所示，在包括放大晶体管114的像素电路中，例如，希望FD节点116的寄生电容最小，其中，该FD节点116用作起到源极跟随器功能的放大晶体管114的输入节点。
因此，也希望将根据光子的入射通过放大晶体管114输出的电信号的振幅保持在远大于由放大晶体管114产生的随机噪声的幅度。
另一方面，由像素输出的电信号不需要具有由模拟像素输出的电信号所需的良好线性度、高精度和较大动态范围。因此，作为源极跟随器的输入/输出电源，例如，可使用用于数字电路的低压电源。另外，可以使用具有最小限度的电荷累积容量的发光二极管。
接着，以下的说明解释了由第一实施例的CMOS图像传感器100进行的整个操作的概况。
如前面说明的那样，像素块160-0、160-1、160-2、160-3等中的各个像素块被构造为使用128个数字像素DPX和像素选择电路。像素选择电路为用于选择128个数字像素DPX中的一个数字像素并对所选择的像素进行复位或读取操作的电路。
更具体地说，在第一实施例中，通过由行驱动电路170驱动的行控制线181和182选择像素块160中包含的一个像素。
在上述读取操作中，所选择的像素分别通过输出信号线131-0、131-1、131-2、131-3等中的一条输出信号线，将电信号输出至检测电路121-0、121-1、121-2、121-3等中的一个检测电路，作为表示有无光子撞击所选择的像素的信号。根据该电信号，检测电路121产生表示判定结果的二进制值。
通常，如果光子已撞击所选择的数字像素DPX，则检测电路121(检测电路121-0、121-1、121-2、121-3等中的一个检测电路)产生二进制值1。另一方面，如果没有光子撞击所选择的像素，则检测电路121(检测电路121-0、121-1、121-2、121-3等中的一个检测电路)产生二进制值0。检测电路121通过锁存二进制值来确认产生的二进制值。
首先，在寄存器151(寄存器151-0、151-1、151-2、151-3等中的一个)中存储通过检测电路121(检测电路121-0、121-1、121-2、121-3等中的一个检测电路)输出以作为上述判定结果的二进制值。
如前面说明的那样，计数电路153被四个像素块160-0至160-03共用。即，计数电路153被四个寄存器151-0至151-3共用，其中，这四个寄存器用于分别存储为属于四个像素块160-0至160-03的四个所选择的像素产生的判定结果。四个所选择的像素位于像素阵列部110的多行中 由行驱动电路170选择的同一行上。通过一次选择四个判定结果中的一个判定结果的寄存器选择电路152，将各自均由二进制值表示的四个判定结果依次传输至判定结果积分电路部150。
随后，将通过判定结果积分电路部150为每个像素产生的计数(或积分)结果存储在存储器154中。
首先，在加载操作中，将在之前的像素读取操作中已存储在存储器154中的像素数据加载至计数电路153。
随后，如果存储在寄存器151中的判定结果为二进制值1，则计数电路153使从存储器154加载的积分结果加1，以便产生新的积分结果。另一方面，如果存储在寄存器151中的判定结果为二进制值0，则计数电路153不会更新从存储器154加载的积分结果。
随后，计数电路153将新的积分结果存储在存储器154中，从而终止数字像素DPX的计数操作。从一个像素到另一个像素依次对四个数字像素DPX进行计数操作。
在进行计数操作时，检测电路121-0至121-3能够对下一选择行同时进行读取和判定操作。
在一帧期间，进行1,023次上述的从像素读出电信号的读取操作，以便为每个像素产生10位的灰度数据。
由于要通过计数电路153处理的存储在存储器154中的积分结果是10位的结果并且存储器154用于为512(＝128×4)个像素存储积分结果，因此，要求存储器154具有至少5,120位的存储容量。
从以上说明明显可知，CMOS图像传感器100具有包括像素阵列部110的独特结构并能起到光子计数器的功能。
另外，计数电路153的所需尺寸和存储器154的所需存储容量根据CMOS图像传感器100的用途变化。
例如，使摄像单元为由4×4个像素构成的单元，即，使摄像单元的垂直和水平尺寸均为4个像素。在这种情况下，能够将每个摄像单元的像素数据存储在存储器154的相同地址中。
即，在存储器154中为每16个像素存储积分结果，以便通过计数电路153使其增加。
在由4×4个像素构成的摄像单元的情况下，积分结果为上述第一实施例的CMOS图像传感器100的结构的积分结果的16倍。在这种情况下，要求计数电路153具有14位的大小。
另一方面，将分配给存储器154中的存储位置的地址的数量减小至32，这是第一实施例的地址数的1/16。如上所述，在32个地址中的各个地址处，存储具有14位的积分结果。因此，存储器154的存储容量为448位。
在可选择的结构中，积分结果为对入射至整个光接收表面上的光子总数进行计数的结果。在该可选择的结构中，计数电路153还用于将积分结果保持原样。因此，不是始终需要存储器154。
在这种情况下，计数器的位数是比与512个像素对应的10位大9位的19位。
另一种可选择的结构允许进行功能转换，以便将该功能用于从对所有像素进行的二维摄像处理到针对积分结果进行的总积分处理的各种处理。因此，设有14位的计数电路153和用于存储用于(128×4)个像素中各个像素的14位积分结果的存储器154。另外，使电路块200的电平能够对各自为4×4个像素获得的积分结果进行累积加法运算。
为了对所有的像素进行累积加法运算，首先，电路块200对各自为4×4个像素获得的积分结果进行加法运算，并且将作为累积加法运算的结果形成的积分结果存储在存储器154中。将输出部的外部电路用作独立的加法器，从而对已存储在存储器154中的多个积分结果进行累积加法运算。在该另一可选择的结构中，通过输出部的外部加法器进行的累积加法运算处理的量为没有对各自为4×4个像素获得的积分结果进行累积加法运算的结构的1/16。因此，输出部的外部加法器无需以高速进行累积加法运算。
下面，以下的说明解释了针对第一实施例的像素块的进行的循环存取。
图5为说明对第一实施例的像素块的循环存取的说明性图。
需说明的是，为了使图5更简化，该图仅显示了一种示例性结构。在这种结构中，像素块仅包括共用一个检测电路的16个像素。
循环地依次存取在各个像素块160-0至160-3等中包含的16个像素。
在这种情况下，将帧率设定为30帧/秒，或者将帧周期设定为1/30秒。在1/30秒的帧周期期间，对于每个像素而言，电信号被读取1,023次。因此，花费大约32微秒来执行块处理的一个循环。即，在32微秒的循环期间，必须完成对16个像素的读取操作。
图5的水平轴t为时间轴。在时间轴t上的各个时间段为针对像素的存取而分配的时间段。时间段的长度不大于2微秒。
需说明的是，在图1的框图中所示的结构中，各个像素块160-0至160-3包括128个像素。在这种情况下，需花费250纳秒来进行对一个像素的存取。
从像素读出数据的操作以及根据所述数据产生判定结果的操作都是与从半导体存储器中读出数据的操作类似的简单操作。因此，长度大约为250纳秒的时间段为具有充足裕度的周期。
如图5所示，对像素DPX的循环存取可以是RD(读取)操作或在RD操作之后进行的RST(复位)操作。
在这种情况下，RST存取和RD存取的存取时刻从像素到像素变化。但是，从RST存取至RD存取的实际曝光EXP的时间长度对于各像素而言是一致的。
通过将RST存取的时刻改变为在循环范围内的某一时刻，能够改变曝光时间。因此，在不会影响其它电路操作的情况下，能够调节灵敏度。
例如，通过将对每个像素DPX的RST存取时刻设定为对相同数字像素DPX的前一RD存取时刻之后紧接着的时刻(与RD存取在相同的时间段中的时刻)，能够使曝光时间增大至适于以低照明度进行摄像的最大值。
相反，通过将对每个像素DPX的RST存取时刻设定为对相同数字 像素DPX的后一RD存取时刻之前紧接着的时刻(在后一RD存取的时间段中的时刻)，能够使曝光时间减小至适于以高照明度进行摄像的最小值。可替换地，通过将RST存取时刻设定为在相同的时间段中从多个时刻中适当选择的时刻，能够以更高的自由度改变曝光时间。
在RD存取之后，进行计数处理CNT。另外，能够与计数处理CNT同时地进行对下一像素的RD存取。
例如，在时间t4，对像素No.4进行RD存取并对像素No.1进行RST存取。同样在该时间t4，与对像素No.4进行的RD存取和对像素No.1进行的RST存取同时地，对像素No.3进行计数处理CNT。
在上述示例中，以时分为基础，依次进行了对像素No.4的RD存取和对像素No.1的RST存取。在用作自身具有内部独立复位机构的像素的图4的电路图所示的像素的情况下，通过对行控制线应用双系统驱动技术，也能够同时进行对像素No.4的RD存取和对像素No.1的RST存取。
如前面所说明的那样，第一实施例具有分级结构，其中，多个像素DPX共用检测电路121(即，检测电路121-0至121-3中的一个检测电路)和寄存器151(即，寄存器151-0至151-3中的一个寄存器)，而检测电路121-0至121-3共用计数电路153。
基于上述存取时间与电路占据的面积之间的关系，能够使共用率达到最佳。
另外，可以沿像素阵列部110的水平方向(或行方向)布置图1的框图所示的各个电路块200。如前面说明的那样，电路块200具有四个像素块。
例如，通过沿水平方向布置32个电路块200并驱动32个电路块200使它们同时工作，能够将光接收设备构造为使用128×128个像素。可以按以下方式估计这种光接收设备的性能。
以每秒30帧的帧率，使各个像素产生10位的摄像数据。
在这种情况下，如果计算所有像素的积分结果的总和并将该总和用作单个积分结果，则每秒的积分处理总计数的最大值为500兆(＝128× 128×1,023×30)。
即使仅仅使用泊松分布的线性区域，所述最大值仍为200兆。因此，如果进行校正处理，则可以对大于该值的计数进行积分处理。
另外，如之前说明的那样，根据用途，也可以将该光接收设备用于进行二维摄像操作并用作用于对光子数量进行计数的单一光接收设备。
在上述任一情况下，通过利用外部装置更新内部寄存器的内容，能够容易地改变操作模式。另外，为了通过采用相同的方法改变曝光时间，可执行改变复位时刻的程序。
另外，如前所述，在第一实施例中使用的每个数字像素均使用了光电转换元件。即，每个数字像素均具有根据光子在数字像素上的入射而产生电信号的功能。在图4的电路图中显示了数字像素的结构。
需说明的是，在从数字像素读出数据(电信号)的操作中，必须消除每个数字像素的电信号变化。因此，希望引入在检测时进行的以下自参照功能。
从像素读出在复位状态下输出的电信号和在曝光时间之后输出的电信号。随后，检测电路将预先确定的偏移量加至在复位状态下输出的电信号或在曝光时间之后输出的电信号上。最后，检测电路产生表示通过比较两个电信号获得的判定结果的二进制值。
图6为显示了具有上述自参照功能的检测电路的电路图。
如图6的电路图所示，检测电路121A使用了开关SW121、SW122和SW123、电容器C121和C122、反相器IV121和IV122以及用于将偏移量信号OFFSET加在输入电信号SIG上的偏移量供给线L121。
开关SW121的节点a与电容器C121的第一节点和电容器C122的第一节点相连。开关SW121的节点b与连接至输出信号线的节点SIG相连。
电容器C121的第二节点与反相器IV121的输入节点、开关SW122的节点a和开关SW123的节点a相连。
电容器C122的第二节点与用于提供偏移量信号OFFSET的偏移量 供给线L121相连。
反相器IV121的输出节点与反相器IV122的输入节点和开关SW122的节点b相连。
反相器IV122的输出节点与开关SW123的节点b和输出节点SAOUT相连。
以下的说明解释了利用检测电路从图4的电路图所示的像素读出电信号的操作。检测电路具有图6的电路图所示的自参照功能。
图7A～图7F为时序图，它们显示了以图4的电路图所示的像素作为例子，说明由图6的电路图所示的检测电路进行的读取操作的多个时序图，其中，所述检测电路用作具有自参照功能的检测电路。
更详细地说，图7A是显示了施加于图4的电路图所示的复位线182的复位脉冲信号RESET的时序图，而图7B是显示了施加于图4的电路图所示的传输线181的读取脉冲信号READ的时序图。
图7C是显示了开关SW121的接通和断开状态的时序图；图7D是显示了开关SW122的接通和断开状态的时序图；图7E是显示了开关SW123的接通和断开状态的时序图；而图7F是显示了偏移量信号OFFSET的时序图。
首先，将各个开关SW121和开关SW122置于接通状态，对像素DPX的复位线182施加复位脉冲信号RESET，以便将在复位状态下由像素DPX产生的电信号传输至输入节点SIG。
随后，将开关SW122置于断开(OFF)状态，以便将由像素DPX产生的电信号保持在复位状态。
随后，对像素DPX的传输线181施加读取脉冲信号READ，以便将由像素DPX产生的电信号作为曝光结果传输至输入节点SIG。之后，将开关SW121置于断开状态。
这时，将输入的偏移量信号OFFSET保持在0V。
接着，将偏移量信号OFFSET的电平升高少许，以便通过电容器C122在输入电信号上加上偏移电位。
因此，对在复位状态下由像素DPX产生的电信号与偏移电位和由像素DPX产生的作为曝光结果的电信号之和进行比较。
如果入射光子已撞击了图4的电路图所示的像素，则后面的信号具有低于前面的信号的电位。因此，在输出节点SAOUT处出现输出信号“0”。
另一方面，如果没有光子撞击像素，则后面的信号相反具有高于前面的信号的电位。因此，在输出节点SAOUT处出现输出信号“1”。
最后，将开关SW123置于接通状态，以便锁存判定结果。
上述自参照功能可消除因包括放大晶体管114间的阈值电压变化的原因而由每个像素产生的固定噪声。因此，即使对于较小的电信号而言，也能够进行准确的二进制判定。另外，按照以上述顺序也能够消除在复位状态下产生的kTC噪声。
需说明的是，在将模拟电信号AD转换为二进制值时，即使对于CDS(Correlation Double Sampling，相关双采样)而言，仍能够预期获得相似的效果。
但是，还应注意的是，在对于二进制判定的检测处理中，进行两次读取操作和判定处理所花费的时间总是固定的。因此，按照以下方式，也可以减轻由像素的放大晶体管和检测电路自身产生的热噪声和闪烁噪声的影响。
将作为低频范围内的噪声的在两次读取操作中的一次操作中产生的大部分噪声叠加在作为低频范围内的噪声的在另一读取操作中产生的噪声上，因而能够消除噪声的影响。另外，通过由检测电路施加的电容载荷，能够限制在高频范围内产生的噪声的影响。
因此，通过将电容载荷的量值设定为在正确的检测操作的范围内的最大可能值，能够将具有该影响的噪声的频带减小至最小值。
在AD转换中的相关双采样期间，进行转换所花费的时间通常根据模拟电信号的量值和位的数量改变。结果，不可避免地表现出宽噪声频带的影响。
电路不应局限于该例子。另外，可以提供一种检测电路，在该检测电路中，对偏移电位和在复位状态下由像素产生的电信号之和与作为曝光结果由像素产生的电信号进行比较。
在一种可选择的检测电路中，首先，从像素中读出电信号。随后，将像素置于复位状态，并且从像素中读出在复位状态下产生的输入电信号。在对两个电信号进行比较之前，可以在从像素中读出的两个电信号中的一个上加上偏移电位。在这种可选择的检测电路中，即使不能消除kTC噪声，也能消除包括由像素之间的变化产生的固定噪声。因此，该可选择的检测电路具有能够通用于所有像素结构的优点。
即使具有所包含的自参照功能，与普通的AD转换器相比，该检测电路具有非常少的元件，因而检测电路无需占据较大的面积。
另一种可选择的示例提供了一种有效选择，该选择将具有内置内部放大器的光电二极管用作在数字像素DPX中使用的上述光电转换元件。
具有内置内部放大器的光电二极管的例子为APD (AvalanchePhotodiode，雪崩二极管)，这种光电二极管使用了用于使作为光电转换结果所获得的电子空穴对加速的电场，以便实现雪崩放大。
此外，在该另一种可选择示例的情况下，可以使用如图4的电路图中所示的像素电路。但是，如果通过具有内置内部放大器的光电二极管能够产生足够大的电信号，则在数字像素DPX中无需设置放大晶体管。
3. 第二实施例
以下的说明解释了第二实施例，该实施例实现了将具有内置内部放大器的光电二极管应用于光接收设备的结构。
图8为显示了作为第一实施例的像素块的对应部分的、本发明第二实施例的各个像素块的结构的说明性图，其中，各个像素块设有内部放大光电二极管。
在第二实施例的情况下，像素块160B被构造为像素DPXB的组，各个像素DPXB仅包括内部放大光电二极管111B和用于内部放大光电二极管111B的传输(选择)晶体管112B。
即，每个像素DPXB被构造为仅包括内部放大光电二极管111B和用于内部放大光电二极管111B的传输(选择)晶体管112B。在设置在同一行上的数字像素DPXB中使用的传输(选择)晶体管112B的栅极电极与公共传输线181B相连。在像素块160B中包含的像素中使用的传输晶体管的源极电极或漏极电极与公共输出信号线131相连。
另外，复位晶体管113B连接在输出信号线131与复位电位线LVRST之间。各个输出信号线131与对应的检测电路121B相连(即，与其进行通信)。复位晶体管113B的栅极电极与公共复位线182B相连。
在第二实施例的情况下，通过经复位晶体管113B、输出信号线131和传输晶体管112B传播的复位信号将每个像素DPXB复位。
4. 第三实施例
以下的说明解释了第三实施例，该实施例实现了一种摄像设备的结构，该摄像设备使用了基于第一或第二实施例的摄像装置的多个光接收设备。各个光接收设备使用了光接收部和电路块。
以包括普通CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)型摄像传感器和普通CMOS图像传感器的传感器为代表的半导体摄像设备具有在CCD输出部处的放大电路的特性变化以及属于CMOS图像传感器中的每个像素的源极跟随电路的特性变化。
在普通半导体摄像设备中，特性变化反映为将累积的光子数转换为模拟电信号的处理的效率的变化。
另外，AD转换器的转换变化也直接反映在信号变化中。因此，芯片之间的有效灵敏度变化也非常大。
结果，在通过使用被布置为用作并行设备的多个普通半导体摄像设备在拍摄目标的较大区域上进行的摄像操作中，必须调节每个芯片的增益以便使芯片的灵敏度达到均匀。
另一方面，在作为以时分为基础对光子数量进行计数的光接收设备的本发明实施例的摄像装置中，基本上未对模拟信号进行处理。因此，芯片之间的灵敏度变化非常小。
结果，通过将这种光接收设备布置为形成摄像设备中的一维线状或摄像设备中的二维矩阵，能够在拍摄目标的较大区域上进行摄像操作。
例如，通过在这种光接收设备的正面设置闪烁器，在医疗中或者在为了安全检查而根据发射的X射线拍摄图像的操作中，可以使用上述摄像设备。由于上述摄像设备能表现出高灵敏度而仅产生很小的噪声，因此，即使仅使用很少量的X射线，也能以高精度拍摄图像。
因此，例如，在对作为拍摄目标的患者的医疗中进行的摄像操作中，通过减小发射的X射线量以及发射的X射线的强度，能够大大减小对患者的沾染量。
图9A和图9B为显示了根据本发明第三实施例将摄像装置应用于CT(计算机断层扫描)摄像操作的摄像设备的多个概念图。
摄像设备400为包围拍摄目标OBJ的圆筒。拍摄设备400使用了X射线源410和几千个摄像装置420，各个摄像装置420均使用了本发明第三实施例的光子计数器。摄像装置420被布置为形成面对X射线源410的阵列。
该阵列的表面沿圆筒的内壁弯曲。因此，相对于X射线源410，各摄像装置420具有相同的距离。
如图9B所示，各个摄像装置420均具有闪烁器422和准直仪423。闪烁器422设置在本发明第三实施例的光子计数器421的光接收表面421a上。另一方面，准直仪423设置在X射线的入射侧上。
由X射线源410产生的X射线传播通过拍摄目标OBJ并通过准直仪423。为了得到X射线的放射量，闪烁器422将X射线转换为能够由光子计数器421检测到的可视光束。
摄像设备400绕拍摄目标OBJ转动，以便在每个摄像角度拍摄拍摄目标OBJ的图像。随后，处理表示图像的数据，以便产生拍摄目标OBJ的断面透射图像。
不仅本发明第三实施例的摄像装置的光子计数器在以高灵敏度进行读取操作期间不会产生噪声，而且，光子计数器还能提供非常大的动态 范围。
另外，所述摄像装置具有内置计数电路，并且即使对于高位分辨率而言也能够以高速拍摄图像。因此，即使大大减小了X射线的数量和X射线的强度，仍能以高精度实现摄像处理。因此，能够以低成本构成使用了摄像设备400的系统。
图10为显示了用作本发明第三实施例的光接收装置的线型摄像设备的图，该摄像设备包括沿一维线布置的摄像装置。
详细地说，在线型摄像设备500中，线型摄像装置510以交替方式沿两条一维线布置，用作第三实施例的光接收装置。
通过使线型摄像设备500沿箭头A的方向运动，能够使用用作光接收装置的摄像装置510的有效像素区域520来均匀地扫描较宽的摄像区域。
在扫描操作中希望使线型摄像设备500逐步运动，并且，每步均被设定为有效像素区域520的垂直方向(列方向)的间距。可替换地，可以不使线型摄像设备500运动，而使拍摄目标运动。两个相邻有效像素区域之间的连接包括这两个相邻有效像素区域共用的一些像素。在这种情况下，必须进行求平均值处理。
可以以与在图1的框图所示的像素列部中布置像素块的方式相同的方式，通过沿水平方向(即，行方向)布置用作光接收装置的128个摄像装置510的有效像素区域520来形成一种结构。因此，能够将光接收设备构造为使用512×128个物理像素。
在摄像操作中，将8×8个物理像素的块作为像素单元来求出为每个像素单元计算的计数值的总和。在以下的说明中，像素单元也称为逻辑像素。在这种情况下，在摄像操作中能够将512×128个物理像素作为64×16个逻辑像素进行处理。由于每个物理像素通常具有10位的分辨率，因此，由64个物理像素构成的各个逻辑像素均具有16位的分辨率。
如上所述，如果用作光接收装置的64个摄像装置510被布置为形成图10所示的线状，则线型摄像设备500包括总共4,096个逻辑像素，各个逻辑像素均具有16位的分辨率。
如从以上说明所能明显得知的那样，线型摄像设备能够容易地进行精细的摄像操作。例如，通过与闪烁器一起使用线型摄像设备，在医疗或安检中，可以使用线型摄像设备来基于发射的X射线拍摄图像。在这种情况下，由于在摄像操作中仅产生很小的噪声，因此，线型摄像设备500能够以高精度和非常高的灵敏度拍摄图像。
通过减小发射的X射线的数量和X射线的强度，能够大大减小在摄像目标中的沾染量。因此，能够以非常低的成本构成使用线型摄像设备的系统。可替换地，能够使线型摄像设备在扫描操作中逐步运动，并且，每步均被设定为有效像素区域的扫描方向间距。由此，能够缩短扫描距离。因此，能够进一步减小沾染量。
需说明的是，上述第一和第二实施例的固体摄像装置能够用作在数码相机或摄像机中的使用的摄像装置。
5. 第四实施例
图11为显示了根据本发明第四实施例使用摄像装置的照相机系统的结构的框图。
如图11的框图所示，照相机系统600包括摄像装置610，该摄像装置610能够由作为摄像装置的第一实施例的CMOS图像传感器100实现。
照相机系统600也具有光学系统，用于将入射光引导至固体摄像装置610的像素区域并在像素区域上形成拍摄目标的图像。光学系统的一个例子为透镜620，用于在像素区域上形成基于入射光的图像。
另外，照相机系统600也使用了装置驱动电路(DRV)630和信号处理电路(PRC)640。装置驱动电路(DRV)630为用于驱动摄像装置610的部分，而信号处理电路(PRC)640为用于处理由摄像装置610输出的信号的部分。
装置驱动电路630具有用于产生多个时序信号的定时发生器(未图示)，这些时序信号包括用于驱动在摄像装置610中使用的电路的起始脉冲信号和时钟脉冲信号。装置驱动电路630以由预定时序信号确定的时序驱动摄像装置610。
另一方面，信号处理电路640对由摄像装置610输出的信号进行预定信号处理。
将作为信号处理的结果由信号处理电路640输出的图像信号作为图像信息存储在例如存储器等记录介质中。可以将例如打印机等设备用于产生存储在记录介质中的图像信息的硬拷贝。可替换地，在例如液晶显示设备等监视器上，将作为信号处理的结果由信号处理电路640输出的图像信号显示为运动画面。
如上所述，在例如数码相机等摄像设备中，可以将前面所述的固体摄像设备100用作摄像装置610，以便获得具有低能耗且能提供良好精度的照相机。
顺便说一下，对于在公共半导体基板上设置有像素和检测电路的情况而言，图1的框图所示的多个像素共用公共检测电路的结构是必需的。但是，近些年来，采用晶片贴合技术来发展用于形成包括多个半导体层的多层结构的后续技术。该技术还能提供为通常在一层像素之下的下部层上的各个像素提供检测电路的选择。借助用于形成多层结构的技术，能够使多个检测电路共用包括计数器等的积分电路。结果，能够容易地获得为不同像素计算的处理结果的总和并增大动态范围。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及改变。

Claims (17)

1.一种图像传感器，其包括：
多个像素，各个所述像素被构造为根据在预定时间段内入射到所述像素上的光子输出电信号；
多个检测电路，各个所述检测电路被构造为从与所述检测电路相关联的至少一个所述像素读出电信号，以便产生表示在预定时间段内有无光子被所述检测电路接收的数据；多个寄存器，各个所述寄存器与对应的检测电路相连以存储由所述检测电路产生的数据；
寄存器选择电路；以及
计数电路，它通过所述寄存器选择电路的选择操作而与所述多个寄存器选择性地相连，并且被构造为基于从所述检测电路接收的数据提供与所述检测电路相关联的所述像素的积分结果，
其中，所述图像传感器还包括选择电路，所述选择电路向所述计数电路选择性地供给与所选择的检测电路对应的数据，且
其中，所述图像传感器还包括与所述选择电路进行通信的多个寄存器，各个所述寄存器在数据被选择性地传输至所述选择电路之前存储来自对应的检测电路的数据。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述选择电路将数据从所述多个寄存器依次传输至所述计数电路。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个像素包括像素组，所述像素组连接至与对应的检测电路进行通信的公共信号线。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，所述图像传感器还包括复位晶体管，所述复位晶体管连接在所述公共信号线与复位电位线之间。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中，各个所述像素包括内部放大光电二极管和传输晶体管。
6.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，来自所述像素组的电信号通过对应的检测电路以循环方式被读出。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，通过所述检测电路产生的所述数据为二进制值。
8.一种电子系统，所述电子系统包括具有透镜的光学系统和从所述光学系统接收入射光的图像传感器，
所述图像传感器包括：
多个像素块，各个所述像素块包括与公共信号线相连的像素组，各个像素被构造为根据入射到所述像素上的光子输出电信号；
多个检测电路，各个所述检测电路与对应的像素块相关联，并且被构造为从所述像素组读出电信号，并为所述像素组内的各个像素产生表示有无光子被所述像素接收的数据；以及
计数电路，它与所述多个检测电路选择性地相连，并且被构造为基于从所述多个检测电路中的各个所选择的检测电路接收的数据提供积分结果，
其中，所述电子系统还包括选择电路，所述选择电路向所述计数电路供给来自各个所述所选择的检测电路的数据，且
其中，所述电子系统还包括与所述选择电路进行通信的多个寄存器，通过所述多个检测电路中的各个检测电路产生的数据为二进制值，该二进制值在所述数据被传输至所述选择电路之前被存储在对应的寄存器中。
9.根据权利要求8所述的电子系统，所述电子系统还包括存储器，所述存储器存储多个所述像素中的各个像素的积分结果。
10.根据权利要求8所述的电子系统，其中，所述计数电路被构造为计算多个所述像素的积分结果的总和并将该总和存储在存储器中。
11.一种用于控制权利要求1-7中任一项所述的图像传感器的方法，所述方法包括如下步骤：
对第一像素进行第一存取操作；
对所述第一像素进行第二存取操作；
对所述第一像素进行第一计数操作，所述第一计数操作在所述第一像素的第一存取操作与所述第一像素的第二存取操作之间进行；以及
对第二像素进行第一存取操作，所述第二像素的第一存取操作在所述第一像素的第二存取操作之前进行。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一存取操作为读取操作。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二存取操作为复位操作。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二像素的第一存取操作与所述第一像素的第一计数操作同步进行。
15.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括如下步骤：
在所述第二像素的第一存取操作之后对所述第二像素进行第二计数操作，
其中，计数电路在所述第一计数操作之后继续进行所述第二计数操作，使得在所述第一计数操作与所述第二计数操作之间不会出现实质性的时间间隔。
16.一种用于控制权利要求1-7中任一项所述的图像传感器的方法，所述方法包括如下步骤：
基于从与第一像素相关联的第一检测电路接收的二进制值进行第一计数操作；以及
基于从与第二像素相关联的第二检测电路接收的二进制值进行第二计数操作；
其中，所述第一计数操作和所述第二计数操作通过公共计数电路进行。
17.根据权利要求16所述的方法，
其中，所述第一检测电路被构造为从所述第一像素读出电信号，以便产生表示有无光子被所述第一检测电路接收的二进制值，并且
所述第二检测电路被构造为从所述第二像素读出电信号，以便产生表示有无光子被所述第二检测电路接收的二进制值。
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