CN102084644A - 固态成像传感器、光学装置、信号处理装置和信号处理系统 - Google Patents

固态成像传感器、光学装置、信号处理装置和信号处理系统 Download PDF

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Abstract

允许从像素部分读取的像素信号以光信号的形式高速传输的固态成像传感器、光学装置、信号处理装置和信号处理系统。固态成像传感器(1A)配备有：像素部分(10A)，其将光转换为电信号；A/D转换部分(11A)，其将从像素部分(10A)读取的信号转换为数字信号；光通信部分(12A)，其将由A/D转换部分(11A)数字化的信号转换为光信号，并将其输出；时序发生器(13A)，其产生用于将像素部分(10A)、A/D转换部分(11A)和光通信部分(12A)的信号的输入和输出相同步的驱动时钟；以及控制部分(16A)，其控制信号的读取。

Description

固态成像传感器、光学装置、信号处理装置和信号处理系统
技术领域
本发明涉及固态图像拾取元件、包括所述固态图像拾取元件的光学设备、与所述光学设备连接的信号处理设备，以及包括所述光学设备和信号处理设备的信号处理系统。具体地说，将从固态图像拾取元件读取的像素信号输出为光信号。
背景技术
随着电路衬底(substrate)的加速和高集成，已经要求对于信号延迟和EMI的产生的对抗措施。已经吸引了相当大关注的光学互连技术致力于解决信号延迟(其为布线引起的问题)、信号恶化和从配线产生的电磁干扰噪声，并能够高速传输。
作为在衬底内使用光的高速信号传输的技术，已经提出了称为“光学互连”技术的技术(例如，参照专利文献1)。专利文献1公开了次级光波导层(secondary optical waveguide layer)、具有从一种到另一种进行切换的多种振荡模式的半导体激光器，以及光程切换结构(其中，切换从半导体激光器发射的光束的光程)。
排列光程切换结构以便根据半导体激光器的振荡模式的改变而在光波导层中改变辐射角，并且在光波导层中传输发射光。因此，可以选择次级光波导层中光传输信号的传输状态，并提高发光元件和光接收元件的排列自由度，以便实现光信号传输的灵活重构。
作为将这种光学互连技术应用于特别用于驱动平面显示器的TFT的技术，已经讨论了将光用于信号传输以解决由于尺寸增大和大容量显示器引起的信号延迟的技术。
另一方面，已经提出了将从固态图像拾取元件输出的信号作为光传送到相机机身单元(其包括具有固态图像拾取元件的可拆卸透镜)的技术(例如，参照专利文献2)。
专利文献1：日本待审专利申请公开No.2004-219882
专利文献2：日本待审专利申请公开No.2006-196972
发明内容
技术问题
然而，在专利文献2中公开的技术中，仅公开了在衬底(具有实施在其之中的固态图像拾取元件)中实施发光元件的配置，并且尚未解决与信号的高速传输有关的问题。
为了解决这种问题，已经进行了本发明，并且目标是提供能够高速地传输从像素单元读取的像素信号作为光信号的固态图像拾取元件、包括所述固态图像拾取元件的光学设备、与所述光学设备连接的信号处理设备以及包括所述光学设备和信号处理设备的信号处理系统。
技术方案
为了解决上述问题，根据本发明的固态图像拾取元件包括：像素单元，其将光转换为电信号；A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号；光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号；时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号；以及控制器，其控制信号的读取。
根据本发明的光学设备包括：固态图像拾取元件，其将入射光转换为电信号；以及光学元件，其接受要进入固态图像拾取元件的光。所述固态图像拾取元件包括：像素单元，其将光转换为电信号；A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号；光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号；时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号；以及控制器，其控制信号的读取。以集成的方式在单个衬底上形成所述像素单元、所述A/D转换器、所述光通信单元、所述时序发生器和所述控制器作为单个芯片。
根据本发明的信号处理设备包括将入射光转换为电信号的固态图像拾取元件以及接受要进入固态图像拾取元件的光的光学元件。所述固态图像拾取元件连接到光学设备，包括像素单元，其将光转换为电信号，A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号；光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号；时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号；以及控制器，其控制信号的读取。所述信号处理设备包括：光通信单元，其接收从固态图像拾取元件中包括的光通信单元输出的光信号；读取控制器，其控制来自固态图像拾取元件中的像素单元的信号的读取；以及信号处理器，其处理已经从像素单元读取的、且通过光通信从固态图像拾取元件输入的信号。
根据本发明的信号处理系统包括：光学设备，其包括将入射光转换为电信号的固态图像拾取元件以及接受要进入固态图像拾取元件的光的光学元件；以及信号处理设备，其连接到所述光学设备。所述固态图像拾取元件包括：像素单元，其将光转换为电信号；A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号；光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号；时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号，以及控制器，其控制信号的读取。所述信号处理设备包括：光通信单元，其接收从固态图像拾取元件中包括的光通信单元输出的光信号；读取控制器，其控制来自固态图像拾取元件中的像素单元的信号的读取；以及信号处理器，其处理已经从像素单元读取的、且通过光通信从固态图像拾取元件输入的信号。
根据本发明，与时序发生器产生的同步信号同步地，从像素单元读取通过对入射到固态图像拾取元件上的光执行光电转换而获得的电信号，并将其输入到A/D转换器。将输入到A/D转换器的信号转换为数字信号，并且与时序发生器产生的同步信号同步地输出数字信号，并将其输入到光通信单元。将输入到光通信单元的数字信号转换为光信号，并且与时序发生器产生的同步信号同步地输出。
有益效果
根据本发明的固态图像拾取元件，在使输入/输出信号的各处理彼此同步的同时，将通过对入射光执行光电转换而获得的电信号转换为光信号以便输出。因此，实现了从固态图像拾取元件读取的信号的高速传输。此外，将各组件集成为单个芯片，实现了空间的缩小。此外，便利了设计，并且由于可以使电信号的传输路径更短，因此更加容易地实现了高速传输。
根据本发明的光学设备，由于放置了固态图像拾取元件，因此可以输出已经由固态图像拾取元件捕获的光的图像作为高速传输。根据本发明的信号处理设备，由于与所述光学设备连接，因此输入已经由固态图像拾取元件捕获的光的图像作为高速传输，从而可以获得大量数据。
根据本发明的信号处理系统，由于放置了所述光学设备和信号处理设备，因此可以高速地传输已经由固态图像拾取元件捕获的光的图像，并且可以解决随同帧速增大一起的固态图像拾取元件的像素数量的增大和传输数据量的增大。
附图说明
图1是图示根据第一实施方式的固态图像拾取元件的概要的功能框图。
图2是图示包括光学设备和信号处理设备的信号处理系统的概要的功能框图。
图3是图示当要开启电源时执行的处理的流程图。
图4是图示当要关闭电源时执行的处理的流程图。
图5是详细地图示根据第一实施方式的固态图像拾取元件的功能框图。
图6是详细地图示像素阵列的电路配置的图。
图7是图示像素的配置模型的示例的截面配置视图。
图8是详细地图示根据第一实施方式的信号处理系统的功能框图。
图9是图示示出了在相机系统中执行的操作模式的示例的状态变化的图。
图10是图示草图模式(draft mode)下的数据流的图。
图11是图示草图模式下由固态图像拾取元件执行的处理示例的流程图。
图12是图示静态图像模式下的数据流的图。
图13是图示静态图像模式下由相机机身单元执行的处理示例的流程图。
图14是图示静态图像模式下由固态图像拾取元件执行的处理示例的流程图。
图15是草图模式和静态图像模式下信号的时序图。
图16是草图模式下信号的时序图。
图17是静态图像模式下信号的时序图。
图18是用于确保读取像素数据的同步时序的第一方法的示例的时序图。
图19是用于确保读取像素数据的同步时序的第二方法的示例的时序图。
图20是用于确保读取像素数据的同步时序的第三方法的示例的时序图。
图21是图示示出了确保读取像素数据的同步时序的配置示例的固态图像拾取元件的功能框图。
图22是图示包括串行接口的固态图像拾取元件的示例的功能框图。
图23是图示包括串行接口的固态图像拾取元件中的数据流的图。
图24是图示用于串行化像素数据之后执行的光通信的固态图像拾取元件和信号处理设备中包括的光通信单元的示例的功能框图。
图25是图示在串行化像素数据之后的光通信中使用固态图像拾取元件和信号处理设备执行的信号处理的示例的时序图。
图26是图示确保使用多个光调制单元的像素数据的读取的同步时序的固态图像拾取元件的配置示例的功能框图。
图27是图示用于串行化像素数据之后执行的光通信的固态图像拾取元件和信号处理设备中包括的其它光通信单元的示例的功能框图。
图28是固态图像拾取元件与信号处理设备之间的光通信中的串行化信号的时序图。
图29是图示编码单元的示例的功能框图。
图30是图示串/并转换器中包括的时钟再现单元的示例的功能框图。
图31是图示解码单元的示例的功能框图。
图32是图示产生要输入到固态图像拾取元件中的编码单元的数据的操作示例的图。
图33是图示产生要从信号处理设备中的解码单元输出的数据的操作示例的图。
图34是图示产生要从信号处理设备中的解码单元输出的数据的操作示例的图。
图35是图示产生要从信号处理设备中的解码单元输出的数据的操作示例的图。
图36是图示表示光通信单元的具体示例的信号处理系统的功能框图。
图37是图示发光单元的配置图。
图38是图示光接收单元的示例的功能框图。
图39是图示根据第一实施方式的信号处理系统的应用示例的功能框图。
图40是图示根据第一实施方式的信号处理系统的应用示例的功能框图。
图41是图示根据第一实施方式的信号处理系统的应用示例的功能框图。
附图标记说明
1A固态图像拾取元件，10A像素单元，11AA/D转换器，12A光通信单元，13A时序发生器，14A控制I/O，15A DC-DC单元，16A控制器，17总线，2A光学设备，20A透镜单元，21外壳，3A信号处理设备，30A光通信单元，31A控制I/O，32A操作单元，33A读取控制器，34A信号处理器，35A数据存储单元，36A显示单元，37A电源，38A电源控制器，4A信号处理系统，100像素，101像素阵列，102垂直扫描电路，103水平扫描电路，104列CDS电路，105列信号线，106光电二极管，107FD放大器，108行选择晶体管，109行选择线，110电荷检测器，111复位晶体管，112放大晶体管，113复位线，114行读取线，120串行接口，120A并/串转换器，121 121S 121CL发光单元，122A 122B线，123线，124编码单元，125数据加扰单元，126并/串转换器，128A表面发射半导体激光器，130H 130AD130OP线，300S 300CL光接收单元，301A串/并转换器，302光接收单元，303串/并转换器，304解扰单元，305解码单元，306光接收单元，307并行接口，401A相机系统，402A透镜单元，403A相机机身单元，404快门，405AE/AF检测器，406电子闪光，407电子闪光控制器
具体实施方式
将参照附图描述固态图像拾取元件、包括该固态图像拾取元件的光学设备、与该光学设备连接的信号处理设备以及包括该光学设备和信号处理设备的信号处理系统的实施方式。
第一实施方式的固态图像拾取元件的概要
图1是图示根据第一实施方式的固态图像拾取元件的概要的功能框图。第一实施方式的固态图像拾取元件1A由CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器或CCD(电荷耦合器件)图像传感器组成。固态图像拾取元件1A包括将光转换为电信号并输出电信号的像素单元10A以及将从像素单元10A输出的电信号转换为数字信号的A/D转换器11A。像素单元10A包括将光转换为电力的多个像素，其以二维方式或一维方式排列，并且根据入射光的强度来输出电信号。
固态图像拾取元件1A包括光通信单元12A，其将已经由A/D转换器11A数字化的电信号转换为光信号，并输出该光信号。光通信单元12A包括作为发光单元的发光元件(如，激光二极管(LD))，并输出已经根据从A/D转换器11A输出的电信号而调制的光信号。
固态图像拾取元件1A包括时序发生器(TG)13A，其根据工作模式产生驱动时钟(CLK)，并将驱动时钟提供到A/D转换器11A和光通信单元12A中包括的各种功能块。固态图像拾取元件1A进一步包括：控制I/O 14A，其例如执行控制信号的输入/输出；DC-DC单元15A，其提供电力；以及控制器16A，其控制像素数据的读取。控制器16A、DC-DC单元15A和时序发生器13A连接到总线17，并执行控制信号和数据的发送/接收。由于固态图像拾取元件1A在光通信中发送像素信号，因此固态图像拾取元件1A不需要用以外部地发送作为电信号的像素信号的电极。因此，连接到控制I/O 14A的电极(未示出)可以包括至少三个电极，包括电源线、GND线和控制线。
控制器16A控制DC-DC单元15A，以便导通或截止固态图像拾取元件1A。此外，控制器16A指示时序发生器13A产生驱动时钟，将驱动时钟提供到像素单元10A、A/D转换器11A和光通信单元12A，以便像素单元10A、A/D转换器11A和光通信单元12A与驱动时钟同步地操作。
根据从时序发生器13A提供的驱动时钟，由像素单元10A、A/D转换器11A和光通信单元12A执行的输入/输出信号的处理彼此同步。在像素单元10A中，根据入射光的图像读取像素数据作为电信号。将从像素单元10A读取的像素数据输入到A/D转换器11A，并将其转换为数字信号以便输出。将已经由A/D转换器11A数字化的像素数据输入到光通信单元12A，并将其转换为光信号以便输出。
第一实施方式的光学设备的概要
图2是图示包括光学设备和信号处理设备的信号处理系统的概要的功能框图。首先，将描述包括固态图像拾取元件的光学设备的概要。第一实施方式的光学设备2A包括固态图像拾取元件1A、透镜单元20和外壳21(其中，实施固态图像拾取元件1A和透镜单元20)。透镜单元20是光学元件的示例，并且由单个透镜或多个透镜的组合组成。
在光学设备2A中，固态图像拾取元件1A的像素单元10A位于透镜单元20的焦点位置，并且在固态图像拾取元件1A的像素单元10A中形成经由透镜单元20进入的光的图像。
光学设备2A包括对焦机构，其例如在相对于固态图像拾取元件1A的光轴方向上移动透镜单元20，使得透镜单元20的焦点位置对应于固态图像拾取元件1A的像素单元10，而不论距待捕获的对象的距离如何。
第一实施方式的信号处理设备的概要
接下来，将参照图2描述信号处理设备的概要。与上述光学设备2A连接的第一实施方式的信号处理设备3A例如包括：光通信单元30A，其将光信号转换为电信号；以及控制I/O 31A，其执行控制信号的输入/输出。当光学设备2A连接到信号处理设备3A时，信号处理设备3A的光通信单元30A光学地连接到固态图像拾取元件1A的光通信单元12A。此外，控制I/O 31A连接到固态图像拾取元件1A的控制I/O 14A。
信号处理设备3A包括：操作单元32A，其接受由用户执行的操作；以及读取控制器33A，其指示光学设备2A的固态图像拾取元件1A以根据使用操作单元32A执行的操作来读取像素数据。
信号处理设备3A指示光学设备2A的固态图像拾取元件1A以读取像素数据，并使用自身的光通信单元30A执行与固态图像拾取元件1A的光通信单元12A的光通信，以便从固态图像拾取元件1A获得像素数据。
光通信单元30A包括光接收元件(如光电二极管(PD))，作为光接收单元，其接收从固态图像拾取元件1A的光通信单元12A输出的光信号，并将作为光信号输入的像素数据转换为电信号以便输出。
信号处理设备3A包括信号处理器34A，其对通过与固态图像拾取元件1A的光通信而获得的像素数据执行特定信号处理以便产生图像数据。此外，信号处理设备3A包括：数据存储单元35A，其存储从固态图像拾取元件1A获得的像素数据；以及显示单元36A，其显示表示由信号处理器34A产生的图像数据的图像。
信号处理设备3A包括：电源37A，其将电力提供到信号处理设备3A自身和光学设备2A；以及电源控制器38A，其控制电源。电源控制器38A执行电源控制操作，以便根据开启/关闭电源的操作以预定次序将到信号处理设备3A的电源的存在和不存在以及到光学设备2A的电源的存在和不存在从一个切换到另一个。
第一实施方式的信号处理系统的概要
接下来，将参照图2描述信号处理系统的概要。第一实施方式的信号处理系统4A包括上述光学设备2A和信号处理设备3A，并且被配置为光学设备2A可从信号处理设备3A拆卸。
在信号处理系统4A中，当光学设备2A连接到信号处理设备3A时，信号处理设备3A的光通信单元30A和光学设备2A中包括的固态图像拾取元件1A的光通信单元12A彼此光学地连接。此外，信号处理设备3A的控制I/O31A和固态图像拾取元件1A的控制I/O 14A彼此连接。
这样，在信号处理系统4A中，使用固态图像拾取元件1A的光通信单元12A以及信号处理设备3A的光通信单元30A，在光学设备2A与信号处理设备3A之间输入/输出数据作为光信号。
此外，在信号处理系统4A中，使用信号处理设备3A的控制I/O 31A和固态图像拾取元件1A的控制I/O 14A，在信号处理设备3A与光学设备2A之间输入/输出控制信号。
在信号处理系统4A中，信号处理设备3A的操作单元32A接受由用户执行的操作，并根据使用操作单元32A执行的操作，信号处理设备3A的读取控制器33A输出用于指示像素数据的读取的控制信号。
在信号处理系统4A中，将用于指示像素数据的读取的控制信号经由信号处理设备3A的控制I/O 31A和光学设备2A的控制I/O 14A输入到光学设备2A的固态图像拾取元件1A。
在信号处理系统4A中，当将用于指示像素数据的读取的控制信号输入到光学设备2A的固态图像拾取元件1A时，固态图像拾取元件1A的控制器16A控制时序发生器13A产生驱动时钟。
将使用时序发生器13A产生的驱动时钟提供到像素单元10A、A/D转换器11A和光通信单元12A。像素单元10A读取作为电信号的像素数据。将从像素单元10A读取的像素数据输入到A/D转换器11A，并将其转换为数字信号以便输出。将使用A/D转换器11A数字化的像素数据输入到光通信单元12A，并将其转换为光信号以便输出。
在信号处理系统4A中，通过使用固态图像拾取元件1A的光通信单元12A和信号处理设备3A的光通信单元30A，经由光通信将在固态图像拾取元件1A中读取的像素数据输入到信号处理设备3A。
在信号处理系统4A中，当将在固态图像拾取元件1A中读取的像素数据输入到信号处理设备3A时，信号处理设备3A的光通信单元30A将作为光信号输入的像素数据转换为电信号以便输出。
在信号处理系统4A中，信号处理设备3A的信号处理器34A对已经使用信号处理设备3A的光通信单元30A转换为电信号的像素数据执行特定信号处理，以便产生图像数据，并且例如，在显示单元36A中显示图像。
第一实施方式的信号处理系统的电源控制的示例
图3是图示当要开启电源时执行的处理的流程图。图4是图示当要关闭电源时执行的处理的流程图。现在将描述当要开启电源时和要关闭电源时的电源控制的示例。
首先，将参照附图描述当要开启电源时执行的处理。在信号处理系统4A中，当要开启电源时，执行电源控制以便信号处理设备3A和光学设备2A的固态图像拾取元件1A以该次序开启，并且光接收侧的光通信单元30A和发光侧的光通信单元12A以该次序开启。
具体地说，当使用电源开关(未示出)开启信号处理系统4A的电源时，在图3的步骤SA1，将电力提供到信号处理设备3A。当将电力提供到信号处理设备3A时，在图3的步骤SA2，信号处理设备3A的电源控制器38A将电力提供到信号处理设备3A的光通信单元30A。
在将电力提供到信号处理设备3A的光通信单元30A之后，在图3的步骤SA3，信号处理设备3A的电源控制器38A将电力提供到光学设备2A的固态图像拾取元件1A。
在具有图2中所示的配置的信号处理系统4A中，信号处理设备3A中包括的电源37A，并且信号处理设备3A通过使用信号处理设备3A的控制I/O31A和固态图像拾取元件1A的控制I/O 14A将电力提供到光学设备2A。
当接收从信号处理设备3A提供的电力时，在图3的步骤SA4，固态图像拾取元件1A的DC-DC单元15A将电力提供到固态图像拾取元件1A的光通信单元12A。具体地说，将电力提供到下文描述的光通信单元12A中包括的驱动单元，并且其后将电力提供到下文描述的光通信单元12A中包括的发光单元。因此，可以防止当在光通信单元12A的驱动单元的输出级处于不稳定状态下将电力提供到发光单元时出现的输出级的故障以及由于过度提供的电流引起的发光单元的故障。其后，在图3的步骤SA5，将电力提供到用以执行图像拾取操作的各功能块(如，像素单元10A)。当要开启固态图像拾取元件1A时通过以该次序提供电力，可以防止当在光通信单元12A进入驱动可用状态之前将像素数据输入到光通信单元12A时出现的驱动单元的输入级的故障和损坏。
这样，光接收侧的信号处理设备3A的光通信单元30A和发光侧的固态图像拾取元件1A的光通信单元12A以该次序开启。
如上所述，当将电力从光接收侧提供到发光侧时，信号处理设备3A的读取控制器33A输出指示像素数据的读取的控制信号，并且开始来自固态图像拾取元件1A的像素数据的读取。
接下来，将参照附图描述当关闭电源时执行的处理。在信号处理系统4A中，当要关闭电源时，执行电源控制以便到光学设备2A的固态图像拾取元件1A的电源以及到信号处理设备3A的电源以该次序停止，并且到发光侧的光通信单元12A的电源以及到光接收侧的光通信单元30A的电源以该次序停止。
具体地说，当使用电源开关(未示出)执行关闭信号处理系统4A的操作时，信号处理设备3A的电源控制器38A将用以执行停止到固态图像拾取元件1A的电源的处理的控制信号输出到光学设备2A。响应于用以执行停止电源的处理的控制信号，在图4的步骤SB1，固态图像拾取元件1A的DC-DC单元15A停止到用以执行图像拾取操作的各功能块(如，固态图像拾取元件1A的像素单元10A)的电源。在停止到像素单元10A等的电源之后，在步骤SB2的处理中停止到固态图像拾取元件1A的光通信单元12A的电源。通过以该次序停止到固态图像拾取元件1A的电源，可以防止当在光通信单元12A处于驱动不可用状态下将像素数据输入到光通信单元12A时出现的光通信单元12A的驱动单元的输入级的故障和损坏。在光通信单元12A中，在停止到发光单元的电源之后，停止到驱动单元的电源。通过这样，如开启电源的情况那样，可以防止当在光通信单元12A的驱动单元的输出级处于不稳定状态的状态下将电力持续提供到发光单元时出现的输出级的故障以及由于过度提供的电流引起的发光单元的故障和损坏。
在停止到固态图像拾取元件1A的光通信单元12A的电源之后，在图4所示的步骤SB的处理中，信号处理设备3A的电源控制器38A停止到固态图像拾取元件1A的电源。
在停止到固态图像拾取元件1A的电源之后，在图4中所示的步骤SB4的处理中，信号处理设备3A的电源控制器38A停止到信号处理设备3A的光通信单元30A的电源。
这样，到发光侧的固态图像拾取元件1A的光通信单元12A以及到光接收侧的信号处理设备3A的光接收单元30A的电源以该次序停止。
如上所述，当到发光侧和光接收侧的电源以该次序停止时，在图4中所示的步骤SB5的处理中，信号处理设备3A的电源控制器38A停止到信号处理设备3A的电源。
第一实施方式的固态图像拾取元件的具体示例
图5是详细地图示根据第一实施方式的固态图像拾取元件的功能框图。在下文的描述中，固态图像拾取元件1A由CMOS图像传感器组成。
由CMOS图像传感器组成的固态图像拾取元件1A的像素单元10A包括：像素阵列101，包括以矩阵方式排列的像素100；垂直扫描电路102和水平扫描电路103，其用以选择像素100中的一些(其用以在XY地址方法中读取像素数据)。
垂直扫描电路(行解码器/驱动器)102在像素阵列101的行方向中选择像素100中的一些(其用于选择像素数据)。此外，垂直扫描电路102对于每一操作模式产生行选择样式，并根据产生的选择样式选择用以读取像素数据的像素100中的一些。
水平扫描电路(列解码器/驱动器)103在像素100的列方向中选择像素100中的一些(其用于读取像素数据)。此外，水平扫描电路103对于每一操作模式产生列选择样式，并根据产生的列选择样式选择用以读取像素数据的像素100中的一些。此外，水平扫描电路103执行计算(如在水平方向中排列的像素的相加)，并对输出自像素100的信号的阵列执行并/串转换。
固态图像拾取元件1A包括列CDS电路104，其从像素数据中去除噪声。CDS(相关双采样)电路对基准(复位)电平和信号电平(其包括在信号中)进行采样，并通过执行相减获得其之差。列CDS电路104连接到用以从像素阵列101输出像素数据的行信号线105，并对于每一个像素100去除放大的变化。列CDS电路104执行处理，同时将模拟信号作为模拟信号处理。
在固态图像拾取元件1A中，已经在以上描述的、包括在像素单元10A中的垂直扫描电路102和水平扫描电路103连接到总线17。此外，已经在以上描述的A/D转换器11A、光通信单元12A、时序发生器13A、DC-DC单元15A和控制器16A连接到总线17。
然后，将时序发生器13A产生的驱动时钟φh提供到水平扫描电路103和列CDS电路104。此外，将驱动时钟φADC提供到A/D转换器11A。此外，将驱动时钟φOpt提供到光通信单元12A。
固态图像拾取元件1A被配置为在衬底18(如，硅衬底)上布置像素单元10A、A/D转换器11A、光通信单元12A、时序发生器13A、DC-DC单元15A和控制器16A。固态图像拾取元件1A被配置为单个芯片，以便通过半导体制造工艺布置这些组件。此外，在固态图像拾取元件1A中，在衬底18的前表面或后表面上形成参照图1描述的、且连接到控制I/O 14A的各电极(未示出)。
在图6和图7中，将描述像素之一的配置和用于读取像素信号的配置。图6是图示像素阵列的电路配置的图。图7是图示像素之一的配置模型的示例的截面配置视图。每一个像素100包括：光电二极管(PD)106，其将光转换为电力(信号电荷)；FD放大器107，其放大电信号；以及行选择晶体管(Tr)108，其组成行选择开关。在每一个像素100中，垂直扫描电路102通过行选择线109的对应一个，将行选择晶体管108的导通状态和截止状态从一个切换到另一个，并且将FD放大器107放大的电信号输出到列信号线105。
FD放大器107包括电荷检测器(FD)110、复位晶体管111和放大晶体管112，并具有将存储时段中通过光电转换获得的电荷进行放大的功能。
具体地说，在FD放大器107中，在终止存储时段之后，在输出信号之前，通过复位线113(其组成复位栅极(Rst))复位电荷检测器110。由于复位电荷检测器110的电压连接到放大晶体管112的栅极，因此将当未提供任意信号时获得的复位电平从放大晶体管112的源极输出到列信号线105。
紧接在其后，当经由行读取线114(其组成读取栅极(Rd))从光电二极管106读取信号电荷并且在传输之后关闭行读取线114时，电荷检测器110的电压改变了在光电二极管106上遇到的光强度。因此，将当提供信号时获得的信号电平从放大晶体管112输出到列信号线105。
注意，图7中所示的光电二极管106具有被称为嵌入式光电二极管的配置，其中在N层区域106a的表面上形成P层区域106b。P层区域106b抑制暗电流的产生，并且改善了由于暗电流引起的FPN(Fixed Pattern Noise，固定图形噪声)。
第一实施方式的信号处理系统的具体示例
图8是详细地图示根据第一实施方式的信号处理系统的功能框图。作为采用CMOS图像传感器作为固态图像拾取元件1A的信号处理系统4A，配置相机系统401A。
相机系统401A包括：透镜单元402A，其用作参照图2所述的光学设备2A；以及相机机身单元403A，用作参照图2所述的信号处理设备3A。除了参照图2所述的配置之外，相机机身单元403A还包括：快门404，执行图像拾取；AE/AF检测器405，执行光度测定和测距；电子闪光406，发射辅助光；以及电子闪光控制器407。相机系统401A使用相机机身单元403A的信号处理器34A执行去马赛克处理和相机信号处理。
相机系统的像素信号读取操作
接下来，将参照附图描述由相机系统401A执行的读取像素信号的操作。
(1)使用透镜单元20形成入射到透镜单元402A上的光的图像，并且进入固态图像拾取元件1A的像素单元10A。
(2)当光入射到像素单元10A的像素100上时，执行光电转换，并开始电荷的存储。
(3)根据使用电子快门或机械快门控制曝光的时间段来控制存储时段，并且终止电荷存储时段。
(4)垂直扫描电路102选择用以读取信号的行选择线109之一。
(5)使用复位线113复位电荷检测器110，并且读取复位电平。由FD放大器107放大读取的复位电平。
(6)在列CDS电路104中存储复位电平。
(7)将信号电荷从光电二极管106经由行读取线114读取到电荷检测器110。由FD放大器107放大读取的信号电荷。
(8)在列CDS电路114中存储信号电平。
(9)在列CDS电路104中，使用信号电平和复位电平执行相减。
(10)通过由水平扫描电路103连续地选择列，对于各个行从列CDS电路104获得像素信号。
(11)使用A/D转换器11A将获得的像素信号经历A/D转换，并发送到固态图像拾取元件1A的光通信单元12A。
(12)固态图像拾取元件1A的光通信单元12A根据输入的数字信号执行光调制。
通过由垂直扫描电路102对于各个行顺序地执行包括上述操作(4)到(12)的过程，从入射到固态图像拾取元件1A上的光的图像获得图像(静态图像)。
相机系统中操作模式的示例
图9是图示示出了在相机系统中执行的操作模式的示例的状态改变的图。除了将在下文中描述的草图模式和静态图像模式之外，相机系统401A执行的操作模式的示例还包括在相邻像素之间执行计算的像素计算模式。例如，像素计算模式可以用于微分、积分、特征量提取、重力提取、计数和测量。此外，例如，操作模式的其它示例包括作为稀疏选择的代替的像素相加模式、帧相加模式和识别模式(其中，计算在面部识别中代表性地使用的识别参数)。接下来，在相机系统401A执行的操作模式之中，在下文中将草图模式和静态图像模式描述为示例。相机系统401A工作在输出低分辨率的动态图像的草图模式M1和输出高分辨率的静态图像的静态图像模式M2。当在图像拾取之前执行确定构图的操作时相机系统401A执行草图模式M1，而响应于当按下快门时产生的快门触发执行静态图像模式M2，由此从草图模式M1进入静态图像模式M2。在以静态图像模式M2执行图像拾取并捕获静态图像之后，执行草图模式M1，即：将静态图像模式M2改变到草图模式M1。
草图模式下的操作示例
图10是图示草图模式下的数据流的图。图11是图示在草图模式下由固态图像拾取元件执行的处理示例的流程图。现在将详细描述草图模式。
首先，将描述草图模式下的数据流。相机系统401A从所有像素之中选择特定像素，并指示像素数据的读取。在固态图像拾取元件1A中，由像素单元10A将从透镜单元20进入的光的图像经历光电转换。从已经指示读取的像素读取的信号电荷由FD放大器107放大，并且由列CDS电路104去除噪声。由A/D转换器11A将从像素单元10A读取的像素数据经历A/D转换，并由光通信单元12A将其转换为光信号以便输出。
固态图像拾取元件1A和相机机身单元403A通过光通信单元12A和光通信单元30A执行其之间的数据的光通信。将从固态图像拾取元件1A的光通信单元12A输出的光信号输入到相机机身单元403A的光通信单元30A。
将表示输入到相机机身单元403A的光通信单元30A的像素数据的光信号转换为电信号。由信号处理器34A将电信号经历去马赛克处理和相机信号处理，并且在显示单元36A中显示。
接下来，将描述由执行草图模式的固态图像拾取元件1A执行的处理。在图11的步骤SC1，固态图像拾取元件1A从相机机身单元403A的读取控制器33A接收用于以草图模式读取像素的指令。
在图11的步骤SC2，固态图像拾取元件1A的控制器16A指示由时序发生器13A指定的、当读取像素时的时刻。在图11的步骤SC3，控制器16A将草图模式设置到垂直扫描电路102。此外，在图11的步骤SC4，控制器16A将草图模式设置到水平扫描电路103。
在步骤SC3和步骤SC4的处理中，例如，执行像素的稀疏和相加的设置，垂直扫描电路102产生要在草图模式下读取的行的选择样式，以便根据产生的选择样式选择用以读取像素数据的像素。水平扫描电路103产生要在草图模式下读取的列的选择样式，以便根据产生的选择样式选择用以读取像素数据的像素。
在图11的步骤SC5，控制器16A对于光通信单元12A执行根据草图模式驱动的设置。在固态图像拾取元件1A中，由于待读取的像素总数的减少程度根据草图模式的设置而显著地变化，因此应该以水平扫描的时序适当地控制待输出的数据的比特率。因此，根据适当地控制的比特率，对于光通信单元12A执行驱动设置。
静态图像模式下的操作示例
图12是图示静态图像模式下的数据流的图。图13是图示静态图像模式下由相机机身单元执行的处理示例的流程图。图14是图示静态图像模式下由固态图像拾取元件执行的处理示例的流程图。现在将详细描述静态图像模式。
首先，将描述静态图像模式下的数据流。相机系统401A通过以特定次序选择所有像素来指示像素数据的读取。在固态图像拾取元件1A中，由像素单元10A将从透镜单元20进入的光的图像经历光电转换。从已被指示读取的像素读取的信号电荷由FD放大器107放大，并且由列CDS电路104去除噪声。由A/D转换器11A将从像素单元10A读取的像素数据经历A/D转换，并由光通信单元12A将其转换为光信号以便输出。
将从固态图像拾取元件1A的光通信单元12A输出的光信号输入到相机机身单元403A的光通信单元30A，由光通信单元30A将其转换为电信号，并存储在数据存储单元35中。由信号处理器34A将已经在数据存储单元35A中存储的一个屏幕的像素数据经历去马赛克处理和相机信号处理，并在显示单元36A中显示。
接下来，将描述由执行静态图像模式的相机机身单元403A执行的处理。在相机机身单元403A中，在图13的步骤SD1，读取控制器33A检测快门404的按压。这里，在相机机身单元403A中，AE/AF检测器405执行光度测定和测距，以便在半按压快门404的同时执行用于图像拾取的相机参数的设置和控制。然后，根据快门时刻来控制曝光，并开始所有像素的读取。
在相机机身单元403A中，在图13的步骤SD2，电子闪光控制器407根据光度测定的结果驱动电子闪光406。注意，在禁止来自电子闪光406的光的发射的设置下不执行步骤SD2中的处理。
在图13的步骤SD3，在相机机身单元403A中，读取控制器33A执行静态图像模式，并指示固态图像拾取元件1A的控制器16A读取所有像素。在相机机身单元403A中，在图13的步骤SD4，读取控制器33A从固态图像拾取元件1A的控制器16A接收表示所有像素的读取完成的通知。在相机机身单元403A中，当从固态图像拾取元件1A接收到表示所有像素的读取完成的通知时，在图13的步骤SD5，读取控制器33A指示固态图像拾取元件1A的控制器16A执行草图模式。
现在将描述由执行静态图像模式的固态图像拾取元件1A执行的处理。在图14的步骤SE1，根据由相机机身单元403A的读取控制器33A执行的图13的步骤SD3中的处理，固态图像拾取元件1A在静态图像模式下接收用于读取所有像素的指令。
在图14的步骤SE2，固态图像拾取元件1A的控制器16A指示时序发生器13A产生当读取所有像素时的时刻。在图14的步骤SE3，控制器16A对于垂直扫描电路102执行读取所有像素的设置。此外，在图14的步骤SE4，控制器16A对于水平扫描电路103执行读取所有像素的设置。
在图14的步骤SE5，控制器16A对于光通信单元12A执行适于读取所有像素的驱动的设置。通过这样，在固态图像拾取元件1A中，在像素单元10A中以特定次序从各像素读取像素数据，并且在图14的步骤SE6终止所有像素的读取。
在固态图像拾取元件1A中终止所有像素的读取之后，在图13的步骤SD4，将表示所有像素的读取完成的通知发送到相机机身单元403A的读取控制器33A，并且在图13的步骤SD5，指示草图模式的执行。
在图14的步骤SE7，根据由相机机身单元403A的读取控制器33A执行的图13的步骤SD5中的处理，固态图像拾取元件1A在草图模式下接收读取所有像素的指令。
在图14的步骤SE8，固态图像拾取元件1A的控制器16A指示时序发生器13A产生当读取像素时的时刻。在图14的步骤SE9，控制器16A对于垂直扫描电路102执行草图模式的设置。此外，在图14的步骤SE10，控制器16A对于水平扫描电路103执行草图模式的设置。此外，在图14的步骤SE11，控制器16A对于光通信单元12A执行适于草图模式的驱动的设置。
各操作模式下的信号的具体示例
图15是草图模式和静态图像模式下的信号的时序图。图16是草图模式下的信号的时序图。图17是静态图像模式下的信号的时序图。
在草图模式M1下，控制器16A指示时序发生器13A产生当进入草图模式时的时刻。然后，时序发生器13A产生图15的(a)中所示的垂直同步信号以及图15的(b)中所示的水平同步信号。此外，控制器16A对于垂直扫描电路102和水平扫描电路103执行草图模式的设置，以便选择具有图15的(c)中所示的编号且要据以读取信号的像素。
然后，输入图15的(d)中所示的快门触发，执行光度测定和测距。在草图模式M1下终止一个屏幕的读取之后，执行静态图像模式。在静态图像模式下，控制器16A指示时序发生器13A产生当读取所有像素时的时刻。然后，时序发生器13A产生图15的(a)中所示的垂直同步信号和图15的(b)中所示的水平同步信号。此外，控制器16A对于垂直扫描电路102和水平扫描电路103执行读取所有像素的设置。
在草图模式M1下，当关注特定水平扫描时段H1时，如图16的(b)所示，产生水平扫描时钟φh，作为图16的(a)中所示的水平同步信号的驱动时钟。此外，选择具有图16的(c)中所示的编号的像素，以便读取信号。通过这样，读取图16的(d)中所示的数据D，并且获得图16的(e)中所示的串行数据。
在静态图像模式M2下，当关注特定水平扫描时段H2时，如图17的(b)中所示，产生水平扫描时钟φh，作为图17的(a)中所示的水平同步信号的驱动时钟。此外，选择具有图17的(c)中所示的编号的像素，以便读取信号。通过这样，读取图17的(d)中所示的数据D，并且获得图17的(e)中所示的串行数据。注意，将在下文中描述数据的串行化。
用于确保读取像素数据的处理的同步时序的方法示例
接下来，将描述由光通信单元和电操作单元(如像素单元和A/D转换器)执行的用于确保读取像素数据的处理的同步时序的方法。
如图5所示，在固态图像拾取元件1A中，根据操作模式，将由时序发生器13A产生的驱动时钟提供到像素单元10A、A/D转换器11A和光通信单元12A。像素单元10A、A/D转换器11A和光通信单元12A根据从时序发生器13A提供的驱动时钟，彼此同步地执行信号输入/输出处理。
图18是用于确保读取像素数据的各处理的同步时序的第一方法的示例的时序图。在用于确保同步时序的第一方法中，在当A/D转换器11A执行输出处理时的时刻驱动光通信单元12A。
相对于图18的(a)中所示的且输入到A/D控制器11A的驱动时钟φADC，如图18的(b)所示那样延迟从A/D转换器11A输出的信号。关于A/D转换器11A中的处理的延迟，延迟量由于电路配置而被固定。因此，如图18的(c)中所示，由时序发生器13A产生驱动时钟φOpt(其相位根据A/D转换器11A的固定延迟量而平移)以提供到光通信单元12A。
图19是用于确保读取像素数据的各处理的同步时序的第二方法的示例的时序图。在用于确保同步时序的第二方法中，在水平扫描电路103执行的水平扫描中，在输出数据时的时刻，A/D转换器11A将输入信号锁存。
从水平扫描电路103输出的信号相对于图19的(a)中所示的、输入到水平扫描电路103的驱动时钟φh而延迟。因此，如图19的(b)中所示，由时序发生器13A产生与水平扫描电路103输出列值时的时刻相匹配的驱动时钟φADC，以将其提供到A/D转换器11A。
图20是用于确保读取像素数据的各处理的同步时序的第三方法的示例的时序图。通过将上述第一和第二方法彼此组合和优化，来获得用于确保同步时序的第三方法。
相对于图20的(a)中所示的、输入到水平扫描电路103的驱动时钟φh，如图20的(b)所示，由时序发生器13A产生与水平扫描电路103的输出时刻相匹配的驱动时钟φADC，并将其提供到A/D转换器11A。此外，如图20的(c)中所示，由时序发生器13A产生基于相对于输入到A/D转换器11A的驱动时钟φADC的A/D转换器11A的固定延迟量而预先进行了相移的驱动时钟φOpt，并将其提供到光通信单元12A。
在用于确保同步时序的第三方法中，由于考虑像素单元10A中的延迟和A/D转换器11A中的延迟来产生要提供到光通信单元12A的驱动时钟φOpt，因此可以可靠地确保光通信中高速调制的同步时序。
用于确保读取像素数据的各处理的同步时序的配置示例
图21是图示确保读取像素数据的各处理的同步时序的配置的示例的固态图像拾取元件的功能框图。为了将参照图18到20所示的方法所产生的驱动时钟无延迟地提供到像素单元10A、A/D转换器11A和光通信单元12A的各功能块，将各条线配置为具有相同的长度。
线103H用以将驱动时钟φh从时序发生器13A提供到水平扫描电路103.线130AD用以将驱动时钟φADC从时序发生器13A提供到A/D转换器11A。线130OP用以将驱动时钟φOpt从时序发生器13A提供到光通信单元12A。通过使得线130H、线130AD和线130OP的长度彼此相同，避免了由于各条线的长度之间的差异引起的驱动时钟的延迟。
光通信中串行化像素数据的配置示例
图22是图示包括串行接口的固态图像拾取元件的配置示例的功能框图。图23是图示包括串行接口的固态图像拾取元件中的数据流的图。
当在光通信中从固态图像拾取元件1A输出像素数据之前串行化像素数据时，可以使用单个传输信道或使用小于数据位数的多个信道来发送具有多个位的数据。因此，光通信单元12A包括串行接口(I/F)120和发光单元121。
在固态图像拾取元件1A中，通过像素单元10A使从透镜单元20进入的光的图像经历光电转换。由FD放大器107放大已被指示从像素读取的信号电荷，并且由列CDS电路104去除噪声。通过A/D转换器11A使从像素单元10A读取的像素数据经历A/D转换，由串行接口120将其转换为串行数据，并且由发光单元121将其转换为光信号，以便进行输出。
图24是图示固态图像拾取元件和信号处理设备中包括的用于通过串行化像素数据执行的光通信的光通信单元的示例的功能框图。图25是图示通过串行化像素数据来执行光通信的固态图像拾取元件和信号处理设备所执行的信号处理的示例的时序图。在图24的示例中，经由不同的传输信道来发送串行化的像素数据和时钟信号。
固态图像拾取元件1A的光通信单元12A包括并/串转换器120A，其用作将通过A/D转换器11A执行的A/D转换而获得的像素数据DATA_TX转换为串行数据。
此外，光通信单元12A包括：发光单元121S，其将串行化的像素数据SDATA_TX转换为光信号以便输出；以及发光单元121CL，其将时钟信号φSCLK_TX转换为光信号。固态图像拾取元件1A的光通信单元12A和固态图像拾取元件3A或相机机身单元403A的光通信单元30A经由数据线LsD(其用以通过光通信发送串行化的像素数据)和时钟线LsCL(其用以通过光通信发送时钟信号)彼此连接。在该实施方式中，数据线LsD和时钟线LsCL用于未使用光纤和波导管的空间传输。
信号处理设备3A和相机机身单元403A的光通信单元30A包括光接收单元300S，其接收通过串行化而获得的、且通过转换作为光信号而获得的像素数据SDATA_TX，并将输入光信号转换为用作串行化的电信号的像素数据SDATA_RX。此外，光通信单元30A包括光接收单元300CL，其接收通过转换作为光信号而获得的时钟信号φSCLK_TX，并将输入光信号转换为用作电信号的时钟信号φSCLK_RX。
此外，光通信单元30A包括串/并转换器301A，其使用已经通过由光接收单元300CL转换为电信号而获得的时钟信号φSCLK_RX，从已经通过由光接收单元300S转换为电信号而获得的像素数据SDATA_RX中检测像素数据DATA_RX。
在固态图像拾取元件1A中，将已经通过A/D转换器11A的A/D转换而获得的像素数据DATA_TX和与时序发生器13A产生的时钟信号CLK_TX对应的驱动时钟φOpt输入到并/串转换器120A。
并/串转换器120A使用从时序发生器13A输入的图25的(a)中所示的驱动时钟φOpt，对于从A/D转换器11A输入的图25的(b)中所示的像素数据DATA_TX进行串行化。并/串转换器120A输出图25的(c)中所示的时钟信号φSCLK_TX以及图25的(d)中所示的串行化的像素数据SDATA_TX。
并/串转换器120A将串行化的像素数据SDATA_TX输出到发光单元121S，并将时钟信号φSCLK_TX输出到发光单元121CL。将串行化的像素数据SDATA_TX转换为光信号，以便从发光单元121S输出。此外，将时钟信号φSCLK_TX转换为光信号，以便从发光单元121CL输出。
将从固态图像拾取元件1A的发光单元121S输出的光信号输入到信号处理设备3A的光接收单元300S，并由光接收单元300S将其转换为电信号，以便输出串行化的像素数据SDATA_RX。将从固态图像拾取元件1A的发光单元121CL输出的光信号输入到信号处理设备3A的光接收单元300CL，并由光接收单元300CL将其转换为电信号，以便输出时钟信号φSCLK_RX。
在信号处理设备3A中，将图25的(e)中所示的时钟信号φSCLK_RX和图25的(f)中所示的像素数据SDATA_RX输入到串/并转换器301A。
串/并转换器301A使用从光接收单元300B输入的时钟信号φSCLK_RX，从输入自光接收单元300A的像素数据SDATA_RX检测像素数据，并输出时钟信号φCLK_RX和图25的(h)所示的像素数据DATA_RX。
用于确保光调制单元执行的读取像素数据的各处理的同步时序的配置示例
图26是图示确保使用多个光调制单元的像素数据的读取的同步时序的固态图像拾取元件的配置示例的功能框图。线130H用以将驱动时钟φh从时序发生器13A提供到水平扫描电路103。线130AD用以将驱动时钟φADC从时序发生器13A提供到A/D转换器11A。线130OP用以将驱动时钟φOpt从时序发生器13A提供到光通信单元12A的并/串转换器120A。线130H、线130AD和线130OP具有彼此相同的长度，由此防止了由于各条线长度之间的差异而引起的驱动时钟的延迟。
此外，放置在并/串转换器120A与发光单元121S之间的线122A以及放置在并/串转换器120A与发光单元121CL之间的线122B具有彼此相同的线长度。此外，放置在A/D转换器11A与并/串转换器120A之间的多条线123具有彼此相同的线长度。
图27是图示用于通过串行化像素数据执行光通信的固态图像拾取元件和信号处理设备中包括的其它光通信单元的示例的功能框图。图28是在固态图像拾取元件与信号处理设备之间的光通信中串行化的信号的时序图。图27示出了在串行化的像素数据上叠加同步信号之后执行的、使用单个传输信道的传输的示例。
固态图像拾取元件1A的光通信单元12A包括编码单元124，其在通过A/D转换器11A执行的A/D转换所获得的像素数据上叠加由时序发生器13A产生的同步信号。
光通信单元12A进一步包括：数据加扰单元125，其对叠加了同步信号的像素数据进行加扰；以及并/串转化器126，其将已经叠加了同步信号的像素数据、且已经加扰的像素数据转换为串行数据。此外，光通信单元12A包括发光单元121，其输出通过转换串行化的像素数据以及串行化的同步信号而获得的光信号。
信号处理设备3A和相机机身单元403A的光通信单元30A包括光接收单元302，其接收作为光信号的串行化的像素数据和串行化的同步信号，并将输入光信号转换为电信号。
光通信单元30A进一步包括串/并转换器303，其使用串行化的像素数据和同步信号来再现时钟，并检测像素数据。此外，光通信单元30A包括：解扰单元304，其对叠加了同步信号的像素数据进行解扰；以及解码单元305，其检测同步信号。
在固态图像拾取元件1A中，时序发生器13A产生图28的(a)中所示的垂直同步信号φV。此外，时序发生器13A产生图28的(b)中所示的水平同步信号φH。
当关注某一水平扫描时段H1时，产生图28的(d)中所示的水平扫描时钟φh，以便对应于水平同步信号φH。此外，如图28的(e)中所示的数字表示的那样选择用以读取信号的像素。通过这样，读取图28的(f)中所示的数据D。
在固态图像拾取元件1A中，将通过A/D转换器11A执行的A/D转换而获得的像素数据输入到编码单元124。此外，时序发生器13A中产生的垂直同步信号φV、时序发生器13A中产生的水平同步信号φH和用以选择场(field)的场信号F输入到编码单元124。
在编码单元124中，如图28的(g)和(h)中所示，表示场信号F的数据、垂直同步信号φV和水平同步信号φH包括在时段E中，所示时段E不包括像素数据。
图29是图示编码单元的示例的功能框图。例如，编码单元124采用8b/10b方法。在8b/10b方法中，根据转换表将8位数据转换为10位数据，并且将时钟叠加在串行数据上。
图30是图示串/并转换单元中包括的时钟再现单元的示例的功能框图。时钟再现单元303A包括相位同步电路(PLL；锁相环)，并使用输入串行数据D1的边沿来再现时钟CLK。
时钟再现电路303A包括：相位比较器306，其输出通过转换输入的两个信号的相位之差而获得的电压；以及环路滤波器307，其执行相位比较。时钟再现电路303A进一步包括：振荡器(VCO；压控振荡器)308，其使用输入电压来控制输出脉冲的频率；以及分频器309，其在以N对输入频率分频之后输出频率。
图31是图示解码单元的示例的功能框图。解码单元305响应于编码单元124而采用10b/8b方法。在10b/8b方法中，根据转换表将10位数据转换为原始的8位数据。
图32是图示产生要输入到固态图像拾取元件中的编码单元的数据的操作示例的图。现在将描述当在编码单元124中使用8b/10b方法时使用来自A/D转换器11A的输出来产生8位数据的方法。当从A/D转换器11A输出具有8位或更多位的数据，即：当数据如图32的示例中所示那样具有12位D0到D11时，输出8位数据和4位数据。
图33到35是图示产生要从信号处理设备中的解码单元输出的数据的操作示例的图。现在将描述当编码单元124采用8b/10b方法时使用解码单元305产生12位数据的方法。例如，在将12位的原始数据划分为8位数据块之后，从固态图像拾取元件发送12位的原始数据。因此，解码单元305应当将具有原始12位的数据作为并行信号输出到总线。在图33到35的示例中，当从解码单元305输出的数据具有8位或更多位时，在缓冲器305A中存储8位数据或4位数据，然后当获得12位数据时输出数据。在图33中，在终止数据1中[第11到第4]位的数据的接收之后，在解码单元305的缓冲器305A中存储数据。在图34中，当接收到接下来的8位时，接收数据1中[第3到第0]位的剩余数据，因此剩余数据与缓冲器305A中已经存储的数据彼此组合，以便输出12位的数据1。同时，由于接收到数据2中[第11到第8]位的数据，因此在缓冲器305A中存储4位。在图35中，当接收到再接下来的8位时，接收数据2中[第7到第0]位的剩余数据，因此剩余位与缓冲器305A中已经存储的数据组合，以便输出12位的数据2。此时，缓冲器305A不包括任何数据。
光通信单元的具体示例
图36是图示表示光通信单元的具体示例的信号处理系统的功能框图。固态图像拾取元件1A的光通信单元12A包括串行接口120、驱动单元121a和发光单元121。发光单元121由驱动单元121a驱动，并输出已经使用从像素单元10A读取的、且已经由串行接口120串行化的像素数据进行调制的信号光。信号处理设备3A的光通信单元30A包括：光接收单元310，其组成光接收单元；以及并行接口311，其组成并/串转换器。
图37是图示发光单元的配置图。作为发光单元121，例如，采用表面发射半导体激光器(VCSEL)128A。在表面发射半导体激光器128A中，上部黑反射镜(DBR镜)128c、有源层128d、下部黑反射镜(DBR镜)128e和n型半导体衬底129f层叠在p型电极128a与n型电极128b之间。在表面发射半导体激光器128A中，由于在上部黑反射镜128c和下部黑反射镜128e(其均由电介质多层形成)之间插入有源层128d的情况下形成上部黑反射镜128c和下部黑反射镜128e，因此在各镜之间形成谐振器。
接下来，将描述表面发射半导体激光器128A的操作原理。
(1)将电压施加到p型电极128a和n型电极128b，以便外部地提供电流。通过这样，在有源层128d的能级中产生反转的分布状态。
(2)在有源层128d中，自发地发射具有与能隙对应的能量的光子，并且光子引起感应发射，由此放大了光。
(3)由放置在有源层128d的上侧和下侧的镜来反射光，并且将一部分光再次引导至有源层128d，以便通过感应发射进行放大。
(4)通过靠近p型电极128a的端表面将一部分放大的光发射到外部。
这样，通过将从A/D转换器11A输出的、表示1和0的数字信号分别与电压的导通状态和截止状态相关联来开启或关闭光，以便实现调制。注意，作为发光单元121，可以采用边沿发射半导体激光器。
当由半导体激光器组成的发光单元121接收到过量电流时，在镜附近的部分中出现熔断和击穿。此外，在吸取用于驱动半导体激光器的电流的驱动单元121a中，例如，如果首先仅开启半导体激光器且无意地将电流提供到其，则可能出现击穿。因此，如图3和4的流程图中所示的那样执行控制电源的开启和关闭的处理。
图38是图示光接收单元的示例的功能框图。光接收单元310包括光电二极管310a、互阻抗放大器310b和限幅放大器310c。光电二极管310a接收施加到其的电压(反向偏置电压)，并根据入射光输出电流。互阻抗放大器310b对从光电二极管310a输入的弱电流信号进行放大，并将电流信号转换为电压信号。限幅放大器310c对从互阻抗放大器310b输出的弱信号进行放大，以便获得具有某一电压幅度的信号而不论信号的量值如何，并输出所述信号。
一般而言，紧接在光电二极管310a之后放置的互阻抗放大器310b以高速和高灵敏度地工作，因此，在输入级未放置保护电路。另一方面，由于限幅放大器310c用于电压输入，因此限幅放大器310c具有用于静电的防范措施。
因此，当具有不期望强度的光输入到光电二极管时，放大器可能击穿。此外，如果施加高于假设电平的电压，则光电二极管可能击穿。因此，根据参照图3和图4的流程图所述的处理执行控制电源的开启和关闭的处理。
在图3和图4的处理中，当要开启电源时，信号处理设备3A和固态图像拾取元件1A以该顺序开启。此外，在信号处理设备3A中，在开启光通信单元30A之前开启控制系统(如读取控制器33A)。此外，在开启光通信单元12A之前开启控制器16A。在光通信单元12A中，在开启发光单元121之前开启驱动单元121a。其后，开启与图像拾取操作有关的、包括像素单元10A的各功能块。
在图3和图4的处理中，当要关闭电源时，固态图像拾取元件1A和信号处理设备3A以该顺序关闭。此外，在信号处理设备3A中，在关闭读取控制器33A之前关闭光通信单元30A。此外，在固态图像拾取元件1A中，在关闭光通信单元12A之前关闭与图像拾取操作有关的、包括像素单元10A的各功能块。在光通信单元12A中，在关闭驱动单元121a之前关闭发光单元121。然后，在关闭例如控制器16A之前关闭光通信单元12A。
因此，在信号处理设备3A中，仅在光通信单元30A为可控制的状态下将电力提供到光通信单元30A。此外，仅在光通信单元30A对于光的接收可用的状态下驱动发光侧的光通信单元12A。此外，在固态图像拾取元件1A中，仅在光通信单元12A为可控制的状态下将电力提供到发光单元121。
因此，在固态图像拾取元件1A的光通信单元12A中，可以防止由于当首先仅开启半导体激光器时提供的无意电流所引起的击穿。此外，在信号处理设备3A的光通信单元30A中，防止放大器由于输入到光电二极管的具有不期望强度的光而引起的击穿。此外，防止光电二极管由于具有高于假设电平的电平的输入电压所引起的击穿。
包括具有发光单元的光通信单元的固态图像拾取元件的效果的示例
在包括具有发光单元的光通信单元的固态图像拾取元件中，不要求用于输出外部输入的光的系统，并且易于执行发光单元和光接收单元之间的定位。此外，由于将固态图像拾取元件集成为单个芯片，因此实现了集成驱动电路和发光单元的简单配置。通过这样，实现了低成本、低功耗和降噪。此外，发光单元可以容易地排列为阵列。
此外，可以选择适于固态图像拾取元件1A的性能的光源。此外，由于固态图像拾取元件1A包括发光单元，因此可以防止由于电磁波引起的传输路径中信号的恶化以及噪声的产生，另外，实现了信号的高速传输。
此外，实现了在输入光信号的信号处理设备侧的光接收单元的选择的高自由度。例如，可以选择根据读取速度高速工作的光接收元件、根据调制光量工作的光接收元件和放大器，因此，易于实现最佳配置。此外，可以自由地设置光接收单元和固态图像拾取元件1A的排列。例如，通过使用安装在另一远程位置中的光接收单元，可以读取从固态图像拾取元件的发光单元(其安装在远程位置中)输出的光。此外，安装在又一个远程位置中的另一个光接收单元可以用于读取。因此，自由地确定排列。
信号处理系统的应用示例
图39到41是图示根据第一实施方式的信号处理系统的应用示例的功能框图。在图39中，将测距设备401B被配置为信号处理系统。在测距设备401B中，光学设备20A包括：发光单元410，其照射测距对象；发光控制器411；以及数据比较计算单元412。此外，信号处理设备3A包括距离数据计算单元413。
在测距设备401B中，通过反射由发光单元410发射的、且用以照射测距对象的光而获得的反射光进入像素单元10A，数据比较计算单元412使用从像素单元10A读取的电信号，根据距离的变化来获得相位的变化。经由光通信将由数据比较计算单元412执行的计算结果从固态图像拾取元件1A发送到信号处理设备3A，并且距离数据计算单元413获得距离。
在图40中，成像设备401C被配置为信号处理系统。成像设备401C的示例包括影印机、扫描仪、传真设备或具有影印机、扫描仪和传真设备的功能的复杂机器，或者进一步与网络连接的网络复杂机器。
成像设备401C包括光学设备2A，其具有用作像素单元的线传感器414。线传感器414包括以矩阵方式排列的像素。此外，包括将光敏磁鼓(未示出)曝光的曝光光装置415以及发光控制器416。
在图41中，监控相机401D被配置为信号处理系统。监控相机401D包括信号处理设备3A，该信号处理设备3A具有：识别单元417，其识别从固态图像拾取元件1A提供的图像；以及网络I/F单元418，其将信息发送到外部。
工业实用性
本发明应用于包括固态图像拾取元件的光学设备。

Claims (14)

1.一种固态图像拾取元件，包括：
像素单元，其将光转换为电信号；
A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号；
光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号；
时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号；以及
控制器，其控制信号的读取。
2.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，
其中以集成方式在单个衬底上形成所述像素单元、所述A/D转换器、所述光通信单元、所述时序发生器和所述控制器作为单个芯片。
3.根据权利要求2所述的固态图像拾取元件，
其中用以将同步信号从所述时序发生器提供到所述像素单元的线、用以将同步信号从所述时序发生器提供到所述A/D转换器的线以及用以将同步信号从所述时序发生器提供到所述光通信单元的线具有相同的线长度。
4.根据权利要求2所述的固态图像拾取元件，
其中，在所述像素单元中，以矩阵方式排列执行光电转换的各像素，并且以未压缩的方式将从各像素读取的信号转换为光信号。
5.根据权利要求2所述的固态图像拾取元件，
其中，当要开启电源时，所述控制器执行供电控制，以便在将电力提供到受驱动单元驱动的光通信单元的发光单元之前，开始对驱动光通信单元的所述驱动单元的电力的供给，并且此外，在将电力提供到所述像素单元之前，将电力提供到光通信单元，以及
当要关闭电源时，所述控制器执行供电控制，以便在停止对发光单元的电力的供给之前，停止对像素单元的电力的供给，并且此外，在停止对光通信单元的电力的供给之前，停止对驱动单元的电力的供给。
6.根据权利要求2所述的固态图像拾取元件，
其中通过使用所述控制器，将通过从像素单元中包括的所有像素之中选择某些像素来读取信号的操作模式以及通过以预定顺序选择像素单元中包括的所有像素来读取信号的操作模式从一个切换到另一个。
7.根据权利要求2所述的固态图像拾取元件，进一步包括：
串行接口，其将已经从所述像素单元读取的、且已经由A/D转换器数字化的信号转换为串行数据。
8.根据权利要求2所述的固态图像拾取元件，
其中所述像素单元包括噪声去除单元，其去除从像素读取的信号的噪声分量。
9.一种光学设备，包括：
固态图像拾取元件，其将入射光转换为电信号；以及
光学元件，其接受要进入固态图像拾取元件的光，
其中所述固态图像拾取元件包括
像素单元，其将光转换为电信号，
A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号，
光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号，
时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号，以及
控制器，其控制信号的读取，并且
以集成的方式在单个衬底上形成所述像素单元、所述A/D转换器、所述光通信单元、所述时序发生器和所述控制器作为单个芯片。
10.一种信号处理设备，其包括将入射光转换为电信号的固态图像拾取元件以及接受要进入固态图像拾取元件的光的光学元件，
其中所述固态图像拾取元件连接到光学设备，其包括
像素单元，其将光转换为电信号，
A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号，
光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号，
时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号，以及
控制器，其控制信号的读取，并且
所述信号处理设备包括
光通信单元，其接收从固态图像拾取元件中包括的光通信单元输出的光信号，
读取控制器，其控制来自固态图像拾取元件中的像素单元的信号的读取，以及
信号处理器，其处理已经从像素单元读取的、且通过光通信从固态图像拾取元件输入的信号。
11.一种信号处理系统，包括：
光学设备，其包括将入射光转换为电信号的固态图像拾取元件以及接受要进入固态图像拾取元件的光的光学元件；以及
信号处理设备，其连接到所述光学设备，
其中所述固态图像拾取元件包括
像素单元，其将光转换为电信号，
A/D转换器，其将从像素单元读取的信号转换为数字信号，
光通信单元，其将由A/D转换器数字化的信号转换为光信号，并输出所述光信号，
时序发生器，其产生用以将像素单元、A/D转换器和光通信单元执行的输入/输出信号的各处理相同步的同步信号，以及
控制器，其控制信号的读取，并且
所述信号处理设备包括
光通信单元，其接收从固态图像拾取元件中包括的光通信单元输出的光信号，
读取控制器，其控制来自固态图像拾取元件中的像素单元的信号的读取，以及
信号处理器，其处理已经从像素单元读取的、且通过光通信从固态图像拾取元件输入的信号。
12.根据权利要求11所述的信号处理系统，
其中，当开启信号处理设备的电源时，执行供电控制，以便在将电力提供到固态图像拾取元件之前将电力提供到信号处理设备的光通信单元，其后，在将电力提供到像素单元之前将电力提供到固态图像拾取元件的光通信单元，以及
当关闭信号处理设备的电源时，执行供电控制，以便在停止对固态图像拾取元件的光通信单元的电力的供给之前，停止对固态图像拾取元件的像素单元的电力的供给，其后，在停止对信号处理设备的光通信单元的电力的供给之前，停止对固态图像拾取元件的电力的供给。
13.根据权利要求11所述的信号处理系统，
其中在所述固态图像拾取元件中，将通过从像素单元中包括的所有像素之中选择某些像素来读取信号的操作模式以及通过以预定顺序选择像素单元中包括的所有像素来读取信号的操作模式从一个切换到另一个，以及
所述信号处理设备根据使用操作单元执行的操作，输出用于选择要在所述固态图像拾取元件中执行的操作模式之一的指令。
14.根据权利要求11所述的信号处理系统，
其中所述固态图像拾取元件包括串行接口，其将已经从所述像素单元读取的、且已经由A/D转换器数字化的信号转换为串行数据，以及
所述信号处理设备包括并行接口，其转换从固态图像拾取元件输入的串行数据。
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