CN103875236A - 图像拾取设备以及摄像机系统 - Google Patents

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Abstract

提供了能够不提高感测电路的速度和功耗地在低和高光照度条件下实现较小噪声的高精度成像的图像拾取设备以及摄像机系统。这个图像拾取设备含有：多个像素排列成阵列的像素阵列单元，每个所述像素含有光电转换元件、存储部分、和以电信号的形式输出所存储电荷、并根据输入光子将电信号输出到输出信号线的放大元件；以及包括感测电路的感测电路单元，该感测电路用于一旦从像素接收到电信号就确定在预定时段期间到像素的入射光子的存在与否。该感测电路包括与所述输出信号线连接的AD转换单元。该AD转换单元能够至少在两种模式，即，作出二元确定的一位输出模式、和利用多位分辨率输出灰度的模式下操作，以及至少当选择一位输出模式时，累积每个像素的多次曝光的输出结果，以便计算到每个像素的入射光的强度。

Description

图像拾取设备以及摄像机系统
技术领域
本公开涉及像CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器那样的图像拾取设备以及摄像机系统。
背景技术
最近，CMOS图像传感器已经广泛用在数字照相机、摄录像机、监控摄像机等中，CMOS图像传感器的市场已经扩大。
CMOS图像传感器中的每个像素通过作为光电转换设备的光电二极管将入射光转换成电子，在某时段内累积电子，然后将与累积的电荷的数量相对应的信号输出到包含在芯片中的模拟-数字（AD）转换器。AD转换器将信号数字化，然后将数字化信号输出到接在AD转换器后面的那一级。
在CMOS图像传感器中，为了拾取图像，以矩阵形式排列这样的像素。
图1是例示作为固态图像拾取设备的CMOS图像传感器的典型芯片配置的图形。
这个CMOS图像传感器10包括像素阵列部分11、行驱动电路12、AD转换器13、开关14、输出电路15、行控制线16、垂直信号线17、和传输线18。
在像素阵列部分11中，多个像素PX以矩阵形式沿着行方向和列方向排列，以及垂直信号线17被沿着列方向排列的多个像素PX共享，并连接到与每个列相对应排列的AD转换器13。
另一方面，行驱动电路12从多个行中只选择一个行，并驱动行控制线16从所选行中的像素PX中读取累积的电荷。
行控制线16由一条或多条控制线构成，以便进行这样从像素中的读取或像素的复位。
如本文所使用，术语“复位”指的是从像素中放出累积的电荷使像素返回到曝光之前的状态的操作，例如，可以在从每个行中读取之后马上或当开始曝光时随着快门操作进行复位。
在读取的时候，将通过垂直信号线17发送给AD转换器13的模拟信号转换成数字信号，并通过开关14将数字信号依次发送到输出电路15，以便输出到未例示的处在芯片内部或外部的图像处理单元。
当CMOS图像传感器10以这样的方式完成从一个行中的读取时，选择下一个行，并以相似方式重复读取、AD转换、和输出。当完成了对所有行的处理时，就完成了对图像数据的一个帧的输出。
另一方面，日本未经审查的专利申请公告第H7-67043号（PTL1）提出了以时分方式计数光子的一种新颖技术。
在该计数技术中，多次重复进行有关光子是否在某时段中入射在光电二极管上的二元判定，并综合二元判定的结果以获得二维图像拾取数据。
换句话说，感测在每个某时段（每个单位曝光时段）中来自光电二极管的信号，当在该时段中一个或多个光子入射在光电二极管上时，与入射光子的数量无关地将与每个像素连接的计数器的计数加1。
如果光子入射的频率沿着时间轴是随机的，则入射光子的实际数量和计数的数量遵循泊松分布；因此，当入射的频率低时，入射光子的实际数量和计数的数量具有大致线性关系，而当入射的频率高时，输出受到压缩。
此外，日本未经审查的专利申请公告第2011-71958号（PTL2）提出了通过将感测电路和用于上述时分光子计数的计数电路与像素分开并分层安排它们提高像素的孔隙比的技术。
并且，日本未经审查的专利申请公告第2011-97581号（PTL3）提出了与时分光子计数结合使用以多个像素为单位的表面划分增大动态范围的图像拾取设备。
这样的设备可以用作将芯片中的整个像素阵列用作一个光接收表面的光子计数设备。
使用这样的时分或表面划分光子计数的图像传感器一致地将从像素输出的数据当作数字数据来对待；因此，不会生成与模拟信号的发送和放大有关的随机噪声和固定噪声。
此时，只有在像素中生成的光散粒噪声和暗电流仍然存在，使得尤其在低光照度上的图像拾取中可以获得特别高S/N比。
这样的设备有望低成本地用一个芯片取代需要昂贵和大规模系统的光电倍增管和由APD（雪崩光电二极管）与脉冲计数单元一起构成的光子计数器，并且对医学和生物技术领域中超弱光的检测具有突破性影响。
引用列表
专利参考文献
[PTL1]日本未经审查的专利申请公告第H7-67043号
[PTL2]日本未经审查的专利申请公告第2011-71958号
[PTL3]日本未经审查的专利申请公告第2011-97581号
发明内容
在使用时分光子计数的图像拾取中，实际可检测光子的数量通过在形成一个图像的一个帧时段中的读取判定的总次数来定义。
例如，在通过有关光子是否入射的1023次判定获得10位输出的情况下，由于计数概率决不会超过1，所以实际可检测光子的数量小于等于1023。
图2例示了单位曝光时段中入射光子的平均数量和计数概率（每个单位曝光时段计数的平均数量）的例子。
根据光子入射的随机性假设它们之间的关系通常遵循泊松分布。
在低光照度上的图像拾取中，例如，在一个帧时段中入射在像素上的光子的总数是大约50个时，图2中的入射光子的平均数量等于50/1023≈0.05，以及计数概率具有大致相等数值。
换句话说，实际上毫不费力地计数了大多数入射光子。因此，在输出基本上反映了光子的精确数量的同时，时分光子计数是有优势的，因为不存在模拟发送噪声。
另一方面，在在一个帧时段中4000个光子入射到例如光电二极管含有10000个电子的累积的电荷的模拟传感器中的高光照度上的图像拾取中，允许最大程度地线性计数这样数量的电子，以及可以实现高精度图像拾取。
相反，在上述时分光子计数中，在超过1023次的上述读取中计数数量的上限是1023个电子，以及在一次曝光中多个光子的入射被计数成“1”个；因此，出现大量计数丢失。
由于输出相应地受到很大压缩，所以即使进行校正，也仍然存在很大误差。
因此，在使用时间维光子计数的全数字图像传感器中，为了提高高光照度上的图像拾取中的图像拾取精度，有必要增加计数的总数。
但是，为了做到这一点，有必要解决包括提高读取感测电路的速度和降低功耗在内的各种问题。
因此，最好是提供能够不提高感测电路的速度和功耗地在低光照度和高光照度两者上进行较小噪声的高精度图像拾取的图像拾取设备和摄像机系统。
按照本公开的一个实施例的固态图像拾取设备包括：包括排列成阵列的多个像素的像素阵列部分，每个像素包括光电转换设备、配置成累积通过光电转换生成的电荷的存储部分、和配置成将累积的电荷输出成电信号的放大设备，每个像素被配置成响应光子入射将电信号输出到输出信号线；以及包括感测电路的感测电路部分，该感测电路被配置成进行从所述像素中检测像素信号的处理，其中该感测电路包括与输出信号线连接的模拟-数字（AD）转换设备，使该AD转换设备可以通过至少两种模式，即，通过二元判定的一位输出模式、和通过多位分辨率的灰度输出模式操作，以及至少当选择一位输出模式时，该AD转换设备综合来自对每个像素多次曝光的输出结果，以便通过计算确定入射在每个像素上的光强，或综合来自被认为单个光接收表面的多个像素的输出结果，以便通过计算确定入射在光接收表面上的光强。
按照本公开的一个实施例的摄像机系统配有图像拾取设备、光学系统、和信号处理电路，该光学系统被配置成在图像拾取设备上形成被摄物的图像，该信号处理电路被配置成处理图像拾取设备的输出图像信号，该图像拾取设备包括：包括排列成阵列的多个像素的像素阵列部分，每个像素包括光电转换设备、配置成累积通过光电转换生成的电荷的存储部分、和配置成将累积的电荷输出成电信号的放大设备，每个像素被配置成响应光子入射将电信号输出到输出信号线；以及包括感测电路的感测电路部分，该感测电路被配置成进行从所述像素中检测像素信号的处理，其中该感测电路包括与输出信号线连接的模拟-数字（AD）转换设备，使该AD转换设备可以通过至少两种模式，即，通过二元判定的一位输出模式、和通过多位分辨率的灰度输出模式操作，以及至少当选择一位输出模式时，该AD转换设备综合来自对每个像素多次曝光的输出结果，以便通过计算确定入射在每个像素上的光强，或综合来自被认为单个光接收表面的多个像素的输出结果，以便通过计算确定入射在光接收表面上的光强。
按照本发明的实施例，允许不提高感测电路的速度和功耗地在低光照度和高光照度两者上进行较小噪声的高精度图像拾取。
附图说明
图1是例示作为固态成像设备的CMOS图像传感器的典型芯片配置的图形；
图2是例示单位曝光时段中入射光子的平均数量和计数概率（每个单位曝光时段计数的平均数量）的例子的图形；
图3是例示按照第一实施例的CMOS图像传感器（图像拾取设备）的配置例子的图形；
图4是例示按照第一实施例的像素的电路配置的例子的图形；
图5是例示像素布局的例子的图形；
图6是例示按照第一实施例的感测电路中的AD转换设备的配置例子的图形；
图7是例示图6中的AD转换设备的工作波形的例子的图形；
图8是例示按照第二实施例的CMOS图像传感器（图像拾取设备）的配置例子的图形；
图9是例示按照第二实施例的感测电路中的AD转换设备的配置例子的图形；
图10是例示按照第二实施例的像素的电路配置的例子的图形；
图11是例示利用卷帘快门访问图9中的四个像素的例子的图形；
图12是例示应用按照实施例的某种固态图像拾取设备的摄像机系统的配置的例子的图形；
图13是例示将按照实施例的某种固态图像拾取设备应用于内窥镜的配置的例子的图形；
图14是例示图13中应用于内窥镜的传感器（图像拾取设备）的芯片上滤色器的例子的图形；以及
图15是例示将按照实施例的某种固态图像拾取设备应用于辐射检测器的配置的例子的图形。
具体实施方式
下面参照附图描述本公开的一些实施例。
要注意的是，该描述按如下次序作出。
1.第一实施例（图像拾取设备的第一配置例子）
2.第二实施例（图像拾取设备的第二配置例子）
3.摄像机系统的配置例子
4.内窥镜的应用例子
5.辐射检测器的应用例子
（1.第一实施例）
图3是例示按照第一实施例的CMOS图像传感器（图像拾取设备）的配置例子的图形。
按照这个实施例的CMOS图像传感器100具有对相同像素的输出的感测作出判定的两种模式，即，时分光子计数和现有模拟计数。
CMOS图像传感器100能够在低光照度和高光照度两者上以有利的S/N进行判定。
[整个配置的总结]
这个CMOS图像传感器100包括像素阵列部分110、感测电路部分120、输出信号线组130、传输线组140、和判定结果综合电路部分150。
像素阵列部分110包括以矩阵形式沿着行方向和列方向排列的多个数字像素PX。
每个数字像素PX都包括光电转换设备，具有响应光子入射输出电信号的功能。
像素阵列部分110在，例如，第一半导体衬底SUB1上形成。
感测电路部分120在与第一半导体衬底SUB1不同的第二半导体衬底SUB2上形成。
在感测电路部分120中，多个感测电路例如以矩阵形式沿着行方向和列方向排列，以便与像素阵列部分110的以矩阵形式排列的多个像素PX一一对应。
每个感测电路121都具有一旦从数字像素PX接收到信号，就进行有关光子是否在预定时段中入射在数字像素PX上的二元判定的功能。
第一半导体衬底SUB1和第二半导体衬底SUB2是叠层的。
例如，第一半导体衬底SUB1和第二半导体衬底SUB2被叠成使在第一半导体衬底SUB1上形成的多个像素PX和在第二半导体衬底SUB2上形成的多个感测电路121一对一地面对面。面对面的像素PX和感测电路121通过输出信号线组130的各自输出信号线131相互连接。
在图3中的例子中，处在第0行第0列上的像素PX-00的输出端通过输出信号线131-00与处在第0行第0列上的感测电路121-00的输入端连接。处在第0行第1列上的像素PX-01的输出端通过输出信号线131-01与处在第0行第1列上的感测电路121-01的输入端连接。
处在第1行第0列上的像素PX-10的输出端通过输出信号线131-10与处在第1行第0列上的感测电路121-10的输入端连接。处在第1行第1列上的像素PX-11的输出端通过输出信号线131-11与处在第1行第1列上的感测电路121-11的输入端连接。
尽管未例示出来，但处在其它行和列上的像素和感测电路以相似的方式相互连接。
在感测电路部分120中，处在相同行上的感测电路121的输出端与共同传输线141连接。
在图3中的例子中，排列在第0行中的感测电路121-00、121-01、...的输出端与传输线141-0连接。
处在第1行中的感测电路121-10、121-11、...的输出端与传输线141-1连接。尽管未例示出来，但第2行和后面行中的感测电路以相似的方式形成。
在本实施例中，如后面详细所述，感测电路部分120的每个感测电路121包括其包括比较器的AD转换设备。
AD转换设备被控制成通过至少两种模式，即，通过二元判定的一位输出模式和通过多位分辨率的灰度输出模式操作。
然后，在按照本实施例的CMOS图像传感器100中，至少当选择一位输出模式时，综合来自对每个像素多次曝光的输出结果，以便通过计算确定入射在每个像素上的光强。
在CMOS图像传感器100中，当选择通过多位分辨率的灰度输出模式时，综合通过比一位输出模式中的曝光次数少的次数（一次或多次）曝光的输出结果，以便通过计算确定入射光的强度。
在CMOS图像传感器100中，在低光照度上的图像拾取中选择一位输出模式，在高光照度上的图像拾取中选择通过多位分辨率的输出模式。
在CMOS图像传感器100中，当选择一位输出模式时，让像素输出进一步经历增益G>1的信号放大，然后输入到AD转换设备中，而当选择通过多位分辨率的输出模式时，不进行这种信号放大。
判定结果综合电路部分150具有综合感测电路121多次作出的来自每个像素的判定结果，以生成具有灰度的二维图像拾取数据的功能。
在判定结果综合电路部分150中，判定结果综合电路151-0、151-1、...与感测电路部分120中的感测电路121的行排列相对应地排列。
换句话说，判定结果综合电路151-0与处在第0行中的感测电路121-00、121-01、...与之连接的传输线141-0连接。
判定结果综合电路151-1与处在第1行中的感测电路121-10、121-11、...与之连接的传输线141-1连接。
判定结果综合电路151-0包括配置成保存通过传输线141-0传输的判定值的寄存器152-0、配置成计数寄存器152-0保存的值的计数电路153-0、和配置成保存计数电路153-0的计数结果的存储器154-0。
判定结果综合电路151-1包括配置成保存通过传输线141-1传输的判定值的寄存器152-1、配置成计数寄存器152-1保存的数值的计数电路153-1、和配置成保存计数电路153-1的计数结果的存储器154-1。
在本实施例中，判定结果综合电路151-0的计数电路153-0被多个感测电路121-00、121-01、...共享。
判定结果综合电路151-1的计数电路153-1被多个感测电路121-10、121-11、...共享。
[像素的配置例子]
如上所述，每个像素PX包括光电转换设备和放大设备，响应光子入射输出电信号。
作为图像拾取设备的CMOS图像传感器100具有使像素PX复位的功能和从像素PX中读取的功能，并允许在任意定时进行复位和读取。在复位时，将像素PX复位成没有光子入射在上面的状态。每个像素PX优选地可以包括透镜和在其光接收表面上的滤色片。
下面描述像素的配置的例子。
图4是例示按照这个实施例的像素的电路配置的例子的图形。
图4例示了一个单位像素PX包括三个晶体管的像素电路的例子。
一个单位像素PX包括作为光电转换设备的光电二极管111、转移晶体管112、复位晶体管113、和作为放大设备的放大晶体管114。
像素PX包括存储节点115和浮动扩散（FD）节点116。
转移晶体管112的栅电极与传输线117连接，复位晶体管113的栅电极与复位线118连接。
放大晶体管114的栅电极与FD节点116连接，放大晶体管114的源极与输出信号线131连接。FD节点116起放大晶体管114的输入节点的作用。
在像素PX中，入射在像素的硅衬底上的光产生电子-空穴对，该对中的电子被光电二极管111累积在节点115中。
当在预定定时接通转移晶体管112时，将电子转移到节点116以便驱动放大晶体管114的栅极。
因此，读取信号电荷作为到输出信号线131的信号。
输出信号线131可以通过恒定电流源或电阻设备接地以便进行源极跟随操作，或可以在读取之前暂时接地，然后转变成浮动状态以便输出通过放大晶体管114设置的充电电平。
与转移晶体管112的接通同时地接通复位晶体管113，使累积在光电二极管111中的电子进入电源中，从而使像素复位成累积之前的暗状态，即，光子未入射的状态。
要注意的是，在图4中，PS代表用于复位和源极跟随器的电源，例如，可以将3V施加于电源PS。
这样像素PX的基本电路或操作机制与典型的像素类似，并且像素PX可能存在变种。
但是，在这个实施例中采用的像素被设计成与典型的像素相比，具有极高的转换效率。
为了做到这一点，构成源极跟随器的放大晶体管114的输入节点116的寄生电容优选的是尽可能小，以及从一个光子中获得的输出信号优选的是充分大于放大晶体管114的随机噪声。
图5是例示像素布局的例子的图形。
在图5中，对角线代表晶体管的栅电极，虚线代表金属布线。
放大晶体管114的输入节点116由夹在转移晶体管112与复位晶体管113之间的扩散层部分、放大晶体管114的栅极部分、和在它们之间的布线部分构成；但是，这些部分的每一个被安排成具有最小面积。此外，在减小放大晶体管114的漏极宽度的同时，用与作为源极输出端的信号线131连接的布线平坦地覆盖节点116的大部分。
由于源极跟随器的输出（在信号线131侧）相对于来自输入节点116的输入具有接近1的增益，所以它们之间的实质性寄生电容非常小。
因此，通过采用这样的屏蔽配置使节点116的寄生电容最小，并且使转换效率大大提高。
例如，在转换效率提高到600μV/e-的情况下，信号量充分大于放大晶体管114的随机噪声，于是，原则上允许检测一个光子。
在这种情况下，当进行有关光子是否在单位曝光时段中入射的二元判定以便进行时分光子计数时，使在放大晶体管114和随后设备中产生的噪声减小到几乎为零。
另一方面，例如，利用大约3V的电源电压使这样的像素可以在光电二极管111中累积大约2000e-的电荷。此时的输出是具有1.2V的工作范围的模拟输出。
在这种情况下，累积的上限受输出信号的范围限定；但是，例如，通过进行四次曝光和读取并综合结果可以将有效动态范围增大到四倍。
换句话说，只要转换效率足够高，就可以将这样包含光电转换设备和放大设备的像素PX的输出当作二进制数据或具有灰度的模拟数据来对待。
要注意的是，这样的特点类似于在像素中进行电子倍增的情况下的那些特点。
例如，只要允许将倍增因子控制成恒定，甚至在电光转换设备中配置成进行电子倍增的雪崩光电二极管（APD）或配置成在将电荷转移到放大设备的过程中利用CCD转移等进行电子放大的像素中，也可以达到与具有高转换效率的像素等效的效果。换句话说，可以进行有关光子是否在单位曝光时段中入射的二元判定，并且可以将通过进一步倍增通过光电转换生成的多个电荷生成的电荷群生成的信号当作具有灰度的模拟数据来对待。
图6是例示按照第一实施例的感测电路中的AD转换设备的配置例子的图形。
如图6所例示，AD转换设备300包括比较器301、计数器302、输出模式选择部分303、放大器304、开关305、和电容器C1和C2。
此外，AD转换器（ADC）310由，例如，除了AD转换设备300的放大器304和开关305之外，在图6中用点划线围住的比较器301、计数器302、输出模式选择部分303、和电容器C1和C2构成。
在比较器301中，中间隔着电容器C1地将非反相输入端（+）与开关305的端子a连接，以及中间隔着电容器C2地将反相输入端（-）与参考信号REF的供应线连接。
计数器302和输出模式选择部分303与比较器301的输出端级联。
开关305的端子b与配置成从单个像素PX输出像素信号PXOUT的输出信号线131连接，开关305的端子c与放大器304的输出端连接。放大器304的输入端与输出信号线131连接。
比较器301进行放大器304未放大的像素信号PXOUT或放大器304放大的像素信号PXOUT与参考信号REF之间的比较。
计数器302具有一旦从比较器301接收到输出结果就阻止时钟CTIN以便停止计数的时钟选通功能。
在按照本实施例的AD转换设备300中，将配置成根据输出模式选择信号MDSEL进行输出的输出模式选择部分303添加在计数器302的输出侧上。
并且，如有必要，将增益（G）>1的放大器304与像素的输出端连接。
图7是例示图6中的AD转换设备的工作波形的例子的图形。
下面参照图7描述图6中的AD转换设备的工作过程。
[定时T1]
在定时T1，将脉冲施加于图4中的像素PX中的复位晶体管113的栅极，并从像素PX输出处在复位电平上的信号PXOUT。
[定时T2]
在定时T2，比较器301的输入级保存取消上述复位信号以便进行所谓的CDS（相关双采样）的电荷。
例如，在日本未经审查的专利申请公告第2008-193373号中，作为“自动归零”，将比较器301的输入端和内部节点短路，并且使电荷分布在输入节点301_P和301_R之间，以便使比较器301的两个输入端平衡，然后存储在输入节点301_P和301_R中。
[定时T3]
在定时T3，将脉冲供应给图4中的像素PX中的转移晶体管112的栅极，并从像素PX输出像素信号PXOUT。
另一方面，沿着负信号方向将某个偏移加入参考信号REF中，以便使比较器301的输出稳定在一侧上。
[定时T4]
在定时T4，在像阶跃脉冲那样供应参考信号REF的同时，将与参考信号REF同步的脉冲供应给计数器302，从而使计数器302可以向上计数。
[定时T5]
在定时T5，当参考信号REF的电平相对于像素信号PXOUT超过定时T2上的平衡状态时，使比较器301的输出反相，计数器302相应地停止向上计数，并保持该状态。
以这样的方式获得的计数器302的输出值线性地反映了输出到输出信号线131的像素信号PXOUT与复位信号之间的差值。
此时，输出模式选择部分303以如下方式根据输出模式选择信号MDSEL的值选择输出DOUT。
首先，在二进制输出的情况下，如果计数器302的输出值超过某个阈值，则“1”是输出，如果不是，则“0”是输出。
另一方面，在多位输出的情况下，输出从计数值中减去在定时T3加入的偏移的计数获得的值。
上述AD转换设备是在本实施例中采用的最简单AD转换设备的例子。
顺便说一下，典型的AD转换设备（AD转换器）能够进行速度更高但位分辨率更低的转换。在本例中，这反映在计数时段中。
例如，在阶跃脉冲的台阶是30μV的情况下，转换效率为600μV/e-的像素中的一个光子信号平均来说相当于20个计数。
因此，在完美的比较器中，当大约10个计数被加入在定时T3上的偏移的计数中时可以作出判定，如果比较器反相，则结果是“0”（没有光子入射），如果不是，则结果是“1”（有光子入射）。
可替代地，当阶跃脉冲的台阶是600μV，以及在定时T3上的偏移量是300μV时，则允许最少一个计数地进行判定。
另一方面，对等效于大量光子的信号量进行灰度判定，对于8位灰度，必需至少256个计数，对于10位灰度，必需至少1024个计数。
通常，当位分辨率低时，允许高速地进行读取，并允许相应地提高帧速率。尤其，如后所述，通过卷帘快门循环读取多个像素，读取速度直接与帧速率有关。
因此，在位分辨率低的情况下，通过提高帧速率大量次数地进行读取，并且在每个像素中加入输出值，从而能够补偿相当大位分辨率。
时分光子计数是典型例子，更典型的是，易于向图像拾取单元提供如下模式。更具体地说，易于向相同图像拾取单元提供如下模式：
·以低位分辨率大量次数地进行曝光和读取，并综合结果以便通过计算确定光强的模式；以及
·以高位分辨率少量次数地进行曝光和读取，并综合结果以便通过计算确定光强的模式。
因此，对于通过多位分辨率的输出，可以提供更多模式。
顺便说一下，比较器301通常具有由构成比较器301的晶体管的变化引起的偏移，并且该偏移在反相定时上在每个比较器中都引起变化，从而引起固定噪声。
作为消除这样的噪声的方法，存在在阻止光的暗信号或无信号状态下进行上述AD转换、存储每个比较器301中的计数值、以及确定计数值与像素信号之间的差值的方法。
例如，在日本未经审查的专利申请公告第2006-20173号中描述了作为校准在每个帧中进行这些操作的情况。
可替代地，在日本未经审查的专利申请公告第2005-323331号中描述了如下技术。
更具体地说，描述了在每次像素复位和读取中应用参考信号REF的阶跃脉冲，并利用计数器的向下计数和向上计数的结合确定差值，以便同时进行复位信号的CDS和偏移的消除的技术。
可替代地，在日本未经审查的专利申请公告第2008-193373号中，在上面描述成“自动归零”的步骤中，进行复位信号的CDS。然后，在该步骤之后进行的阶跃脉冲的第一次应用和向下计数等效于每个行中没有信号的偏移校准。
可替代地，取代计数值的相减，可以将与每个比较器的偏移相对应的用于消除的偏置加入参考信号REF中。
要注意的是，有必要在二元判定之前执行这样的偏移消除过程。因此，有必要在输出模式选择部分303进行输出模式选择之前执行该过程。
可替代地，为了相对降低比较器301的偏移的影响，可以利用放大器304以大于1的增益（G）放大像素PX的输出，这个过程尤其在二元判定中是有效的。
在利用作为模拟信号的像素信号XPOUT进行多位判定的情况下，所检测电子的数量的最大值受输出范围限制；因此，当放大像素输出时，更严密地限制最大值，从而减少可检测电子的数量。
另一方面，在二元判定中像素信号的判定阈值足够小；因此，未施加这样的限制。因此，最好只在二元判定中由放大器304（以增益G>1）放大像素输出。
例如，当以8倍的增益放大信号时，使比较器301的偏移的影响降低到1/8。
通常，当放大像素输出时，使像AD转换设备具有的偏移和随机噪声那样的所有各种噪声因素相对减小。
要注意的是，放大器304具有的偏移不成问题，因为当在后一级中进行CDS时，消除了该偏移。
此外，如后所述，允许将放大器304排列成为多个像素所共有；因此，当保证放大器304占据的某个大小时，使放大器304具有的随机噪声充分减小。
要注意的是，在使用这样的单坡AD转换设备的情况下，当以N倍的增益放大像素输出信号时，阈值二元判定值增大到大约N倍；因此，最好是将参考信号REF的步宽增加到大约N倍以提高速度。
接着，作为第二实施例描述多个像素PX共享感测电路121的AD转换设备的配置。
（3.第二实施例）
图8是例示按照第二实施例的CMOS图像传感器（图像拾取设备）的配置例子的图形。
在按照第一实施例的CMOS图像传感器100中，像素PX和感测电路121一对一地相互对应。
但是，像素PX占据的面积和感测电路121占据的面积未必彼此相等。
此外，在两个衬底的叠层中，可能将电路规模大的计数电路或存储器布置在像素阵列区域的外部，高速地从每个感测电路121长距离传送数据是人们所希望的，有可能在布局方面受到限制。
按照第二实施例的CMOS图像传感器100A通过让多个像素共享一个感测电路（AD转换设备）提供了对上述问题的灵活解决方案。
在按照这个实施例的CMOS图像传感器100A中，AD转换设备的放大器304被多个像素共享。
在CMOS图像传感器100A中，像素阵列部分110A包括以矩阵形式沿着行方向和列方向排列的多个像素PX。
像素块160-0到160-3，...的每一个由相同列中的多个像素PX和选择电路构成。
CMOS图像传感器100A包括配置成驱动像素阵列部分110A的像素PX以便将像素PX的输出电信号输出到输出信号线131的行驱动电路170、和行控制线组180。
CMOS图像传感器100A包括配置成对通过输出信号线131发送的电信号进行二元判定、和综合多次来自每个像素的判定结果以生成具有灰度的二维图像拾取数据的电路块200。
在电路块200中，布置了感测电路部分120A和判定结果综合电路部分150A。
在感测电路部分120A中，分别与像素阵列部分110A的像素块160-0到160-3，...相对应地布置了感测电路121-0、121-1、121-2、121-3、...。
感测电路121-0的输入端与形成像素块160-0的所有像素PX-00、和PX-10到（PX-150）的输出端与之连接的输出信号线131-0连接。
换句话说，一个感测电路121-0被多个像素PX-00到（PX-150）共享。
感测电路121-1的输入端与形成像素块160-1的所有像素PX-01、和PX-11到（PX-151）的输出端与之连接的输出信号线131-1连接。
换句话说，一个感测电路121-1被多个像素PX-01到（PX-151）共享。
感测电路121-2的输入端与形成像素块160-2的所有像素PX-02、和PX-12到（PX-152）的输出端与之连接的输出信号线131-2连接。
换句话说，一个感测电路121-2被多个像素PX-02到（PX-152）共享。
感测电路121-3的输入端与形成像素块160-3的所有像素PX-03、和PX-13到（PX-153）的输出端与之连接的输出信号线131-3连接。
换句话说，一个感测电路121-3被多个像素PX-03到（PX-153）共享。
在感测电路部分120A中，感测电路被安排成被未例示的其它像素块每一个的多个像素共享。
判定结果综合电路部分150A具有综合感测电路121-1到121-3多次作出的来自每个像素的判定结果，以生成具有灰度的二维图像拾取数据的功能。
判定结果综合电路部分150A包括寄存器152A-0到152A-3、选择电路155、计数电路153A、和存储器154A。
寄存器152A-0到152A-3分别保存通过传输线141A-0到141A-3传输的相应感测电路121-1到121-3的判定值。
选择电路155依次选择寄存器152A-0到152A-3的输出，并将寄存器152A-0到152A-3保存的判定值供应给计数电路153A。
计数电路153A对通过选择电路155读取的所选行中的多个像素（在本例中，四个像素）的判定值依次进行计数处理，并将每个像素的计数结果存储在存储器154A中。
将在前一次读取的时候像素的数据从存储器154A装载到计数电路153A中。
按照第二实施例的判定结果综合电路部分150A包括一个计数电路153A，该计数电路153A被多个寄存器152A-0到152A-3共享。
换句话说，在按照第二实施例的CMOS图像传感器100A中，计数电路153A被多个感测电路121A-0到121A-3共享。
图9是例示按照第二实施例的感测电路中的AD转换设备的配置例子的图形。
图10是例示按照第二实施例的像素的电路配置的例子的图形。
图9中的AD转换设备310是将AD转换设备与多个像素连接的配置例子。
在这种情况下，在像素阵列PXA（图8中的像素块160）中，通过，例如，如图10所例示的选择晶体管119将转换效率高的像素PX-0到PX-3与相同输出信号线131连接。选择晶体管119的栅极与选择控制线LSL连接。
在图9中，AD转换设备300A可以包括，例如，ADC310、列放大器304A、和开关305，ADC310包括包含在图6中的AD转换设备300中的比较器301、计数器302、和输出模式选择部分303。
ADC310包括配置成允许根据输出模式选择信号MDSEL在二进制输出与多位输出之间作出选择的输出模式选择部分。
列放大器304A代表增益G>1的列放大器。
因此，在第二实施例中，ADC310和列放大器304A被多个像素共享。
图9中的AD转换设备300A进一步包括加法器311和存储器312。
存储器312以数字形式保存每个像素的光强。
在ADC310中根据通过输出模式选择信号MDSEL指定的输出模式将来自所选像素的输出信号AD转换成一位或多位灰度，并作为输出信号DOUT输出。
从存储器312中读取与所选像素相对应的数据，由加法器311将输出加入数据中，并将来自加法器311的结果再次存储在存储器312中。
在通过输出模式选择信号MDSEL选择一位输出模式的情况下，通过列放大器304A将在像素的输出信号线131中生成的所选像素的信号输出输入ADC310中。
另一方面，在选择多位输出模式的情况下，不通过列放大器304A而是通过开关305将输出信号线131的像素信号PXOUT输入ADC310中。
可替代地，在这种情况下，可以将列放大器的增益G改变成1或更小。
要注意的是，像素PX-0到1和AD转换设备可能存在变种。
使本技术利用如下现象改善图像拾取的动态范围：甚至在具有可检测一个光子的高转换效率或倍增像素中的电子的功能的各种类型的像素中，在在曝光时段中有多个光子入射的情况下，也可以获得与入射光子的数量大致成比例的信号输出。
作为一个特例，将配置成允许在一位输出与多位输出之间作出选择的输出选择部分布置在AD转换设备中。
作为AD转换设备的例子，在图6中例示了一种单坡AD转换设备；但是，像逐次逼近类型和循环类型那样的任何AD转换设备都能够通过判定阈值进行二进制输出，并允许提供这样的输出选择手段。
可替代地，可以将不同转换系统用于二进制输出和多位输出。
换句话说，本技术的应用范围不局限于单坡AD转换设备。
此外，加法器311可以被多个ADC共享。多种模式被当作图像拾取单元的芯片配置，可以将加法器311和存储器312安装在图像拾取芯片中，或图像拾取芯片可以输出与输出信号DOUT相对应的信号，并且可以将加法器311和存储器312安装在图像拾取芯片后面的信号处理芯片中。
图11（A）和（B）是例示利用卷帘快门访问图9中的四个像素的例子的图形。
在图11中，标号EX所指的白色部分代表曝光时段，标号RD所指的黑色部分代表读取时段。
依次选择并循环读取与相同输出信号线131连接的像素，并在读取时段之外进行曝光。
可以通过电子快门等进一步调整曝光时段EX。通常，当AD转换设备的位分辨率低时，缩短并以高速调整循环读取时段；因此，允许在相同时段中（例如，在一个帧中）进行大量曝光。
图11（A）例示了一位输出的例子，一个帧由八个曝光时段和八个读取时段构成。光强通过相加8组二进制数据来确定，相加的结果等于大约3位灰度。
图11（B）例示了多位输出的例子，一个帧由两个曝光时段和两个读取时段构成。当在每个曝光时段中从AD转换设备输出大约3位灰度时，如相加两个输出那样输出光强，相加的结果等于大约4位灰度。
要注意的是，在多位灰度输出模式中，可以一起提供像相加处在低位分辨率上的大量曝光结果的模式、相加处在高位分辨率上的一个曝光结果或少量曝光结果的模式那样的各种模式。
顺便说一下，为了从有关光子是否在曝光时段中入射在各自像素上的二元判定的结果中获得灰度，除了上述时间维光子计数之外，还可以采用使用表面划分光子计数的方法。
换句话说，可以通过将多个像素的阵列当作单个光接收表面，并相加结果获得灰度。
例如，当128×128个像素的阵列构成一个芯片，并用作一个光接收表面时，允许该阵列被用作光电倍增器的替代物。
此外，例如，在测量从接收一个光子的X射线的闪烁体瞬时发射的光的强度的情况下，当从128×128个像素中计数判定数据“1”时，允许获得与14位灰度相对应的16,384个灰度。
此外，在这种情况下，当光发射位置是随机的，或光子被反射或衍射成随机散射时，接收光子的数量和计数的数量遵循图2中的泊松分布。此外，当接收光的强度高时，光子计数丢失的数量增加，从而使图像拾取精确变差。
因此，甚至在这样的情况下，在与像素输出端连接的AD转换器中拥有二元判定模式和多位灰度输出模式也是有效的，并且在精确计数超弱光的同时，允许显著改善图像拾取的动态范围。
按照上述实施例的每个图像拾取设备可用作数字照相机和摄像机的图像拾取设备。
（3.摄像机系统）
图12是例示应用按照实施例的某种固态图像拾取设备的摄像机系统的配置的例子的图形。
如图12所例示，摄像机系统400包括可应用按照实施例的某种CMOS图像传感器（固态图像拾取设备）100和100A的图像拾取设备410。
摄像机系统400包括配置成将入射光引导到图像拾取设备410（配置成形成被摄物的图像）的像素区域的光学系统，例如，配置成在图像拾取平面上形成入射光（图像光）的图像的透镜420。
摄像机系统400进一步包括配置成驱动图像拾取设备410的驱动电路（DRV）430、和配置成处理图像拾取设备410的输出信号的信号处理电路（PRC）440。
驱动电路430包括配置成生成驱动图像拾取设备410中的电路的包括开始脉冲和时钟脉冲的各种定时信号的定时发生器（未例示），并在预定定时信号上驱动图像拾取设备410。
此外，信号处理电路440对图像拾取设备410的输出信号应用预定信号处理。
将经信号处理电路440处理的图像信号记录在像存储器那样的记录介质中。记录在记录介质上的图像信息的硬复制件通过打印机等产生。并且，将经信号处理电路440处理的图像信号作为运动图像显示在由液晶显示器等构成的监视器上。
如上所述，在像数字照相机那样的图像拾取单元中，可通过包括上述图像拾取设备110或100A作为图像拾取设备410实现低功耗和高精度的摄像机。
此外，按照实施例的图像拾取设备100和100A对于在超低光照度上通过二元判定的一位输出是最有利的。
但是，在被摄物的平均光照度增强以及图2中的单位曝光时段中入射光子的数量增加使得输出受到显著压缩的情况下，最好是切换到多位输出模式。
模式之间的切换可以通过将固定区域中的像素用作监视像素并计算像素的平均光强自动进行，或可以在用户监视图像的同时人工进行。
模式切换的情况可以包括如下应用。
例如，存在当用具有特定波长的光照射处在特定条件下的生物细胞时，生物细胞生成极弱荧光的各种现象。这些现象用于像通过内窥镜的癌症细胞检测那样的生命体的各种症状观察；但是，通常将不同的图像拾取设备用于荧光检测和生命体的图像拾取。
例如，利用倍增CCD摄像机等在暗状态下拾取用光脉冲照射之后直接生成的荧光的图像，利用通常图像拾取单元在施加了光的状况下拾取生命体的图像，将两种图像拾取结果相互叠加以确定生成荧光的位置。
在按照实施例的图像拾取设备中，一位输出模式用于观察荧光，多位输出模式用于拾取生命体的图像；因此，允许通过一个图像拾取设备观察荧光和生命体两者。没有必要对准两个图像拾取结果，低成本地精确检测荧光的位置。
（4.内窥镜的应用）
图13是例示将按照实施例的固态图像拾取设备应用于内窥镜的配置的例子的图形。
如图13所例示，内窥镜500包括可应用按照实施例的某种CMOS图像传感器（固态图像拾取设备）100和100A的传感器510。
内窥镜500包括配置成将入射光引导到传感器510（配置成形成被摄物的图像）的像素区域的光学系统，例如，配置成在图像拾取平面上形成入射光（图像光）的图像的会聚透镜520。
此外，内窥镜500包括配置成处理传感器510的输出信号的信号处理电路（PRC）530。
内窥镜500包括配置成将光应用于被摄物以便加以测试的白光源540、会聚透镜550、滤波切换设备560、和配置成传播来自白光源540的光线的光纤570。
传感器510、会聚透镜520、和光纤570包含在缆线580中。
在内窥镜500中，在荧光观察中只应用具有特定波长的光；因此，通过滤波切换设备560对光源540设置滤波器。
图14是例示图13中应用于内窥镜的传感器（图像拾取设备）的芯片上滤色器的例子的图形。
例示在图14中的传感器510的芯片上滤色器包括R（红色）、G（绿色）、和B（蓝色）滤波器FLT-R，FLT-G和FLT-B。
在荧光观察中，只使用未包括在芯片上滤色器中的W（白色）滤波器FLT-W。
在内窥镜500中，按照实施例的某种图像拾取设备用作传感器，将一位输出模式用于观察荧光，而将多位输出模式用于拾取生命体的图像；因此，允许通过一个图像拾取设备观察荧光和生命体两者。没有必要对准两个图像拾取结果，低成本地精确检测荧光的位置。
（5.辐射检测器的应用）
图15是例示将按照实施例的某种固态图像拾取设备应用于辐射检测器的配置的例子的图形。
此外，如图15所例示，本技术的图像拾取设备可以与辐射检测器600中的闪烁体610结合在一起使用。
如图15所例示，辐射检测器600包括可应用按照实施例的某种CMOS图像传感器（固态图像拾取设备）100和100A的图像拾取设备（传感器）620。
例如，当使用NaI等使γ射线入射在闪烁体610上时，生成像弱可见光那样的闪烁光。利用图像拾取设备620测量其光量。
在这种情况下，包括剂量计算部分、控制部分、和显示部分等的控制设备640从闪烁光通过图像拾取设备620中的会聚透镜630在某个曝光时段中入射在上面的有效像素的总数中计算剂量。
首先，以二元模式进行光子计数，当剂量超过某个水平时，将模式转变成多位灰度模式，并再次进行测量。
在这样的辐射检测器600中，与使用光电倍增管的辐射检测器相比，高压源是多余的，虽然辐射检测器600很小、很轻并低成本，但辐射检测器600的精确和灵敏度与使用光电倍增管的辐射检测器基本相当；因此，可以高精度地测量低剂量。
此外，可以采用本技术大范围地测量高剂量。
要注意的是，本技术可以具有如下配置：
（1）一种图像拾取设备，包括：
包括排列成阵列的多个像素的像素阵列部分，每个像素包括光电转换设备、配置成累积通过光电转换生成的电荷的存储部分、和配置成将累积的电荷输出成电信号的放大设备，每个像素被配置成响应光子入射将电信号输出到输出信号线；以及
包括感测电路的感测电路部分，该感测电路被配置成进行从所述像素中检测像素信号的处理，
其中该感测电路包括与输出信号线连接的模拟-数字（AD）转换设备，
使该AD转换设备可以通过至少两种模式，即，通过二元判定的一位输出模式、和通过多位分辨率的灰度输出模式操作，以及
至少当选择一位输出模式时，该AD转换设备综合来自对每个像素多次曝光的输出结果，以便通过计算确定入射在每个像素上的光强，或综合来自被认为单个光接收表面的多个像素的输出结果，以便通过计算确定入射在光接收表面上的光强。
（2）按照（1）所述的图像拾取设备，其中当选择通过多位分辨率的灰度输出模式时，综合通过比一位输出模式中的曝光次数少的次数的曝光的输出结果，以便通过计算确定入射光的强度。
（3）按照（1）或（2）所述的图像拾取设备，其中在低光照度上的图像拾取中选择一位输出模式，在高光照度上的图像拾取中选择通过多位分辨率的输出模式。
（4）按照（1）到（3）的任何一项所述的图像拾取设备，其中
当选择一位输出模式时，从像素输出的像素信号进一步经历增益G>1的信号放大，然后输入到AD转换设备中，
当选择通过多位分辨率的输出模式时，不对从像素输出的信号进行放大而输入AD转换设备中。
（5）按照（1）到（4）的任何一项所述的图像拾取设备，包括判定结果综合电路，其被配置成综合感测电路多次作出的来自每个像素或每个像素组的判定结果，以生成具有灰度的图像拾取数据。
（6）一种配有图像拾取设备、光学系统、和信号处理电路的摄像机系统，该光学系统被配置成在图像拾取设备上形成被摄物的图像，该信号处理电路被配置成处理图像拾取设备的输出图像信号，该图像拾取设备包括：
包括排列成阵列的多个像素的像素阵列部分，每个像素包括光电转换设备、配置成累积通过光电转换生成的电荷的存储部分、和配置成将累积的电荷输出成电信号的放大设备，每个像素被配置成响应光子入射将电信号输出到输出信号线；以及
包括感测电路的感测电路部分，该感测电路被配置成进行从所述像素中检测像素信号的处理，
其中该感测电路包括与所述输出信号线连接的模拟-数字（AD）转换设备，
使该AD转换设备可以通过至少两种模式，即，通过二元判定的一位输出模式、和通过多位分辨率的灰度输出模式操作，以及
至少当选择一位输出模式时，该AD转换设备综合来自对每个像素多次曝光的输出结果，以便通过计算确定入射在每个像素上的光强，或综合来自被认为单个光接收表面的多个像素的输出结果，以便通过计算确定入射在光接收表面上的光强。
（7）按照（6）所述的摄像机系统，其中当选择通过多位分辨率的灰度输出模式时，综合通过比一位输出模式中的曝光次数少的次数的曝光的输出结果，以便通过计算确定入射光的强度。
（8）按照（6）或（7）所述的摄像机系统，其中在低光照度上的图像拾取中选择一位输出模式，在高光照度上的图像拾取中选择通过多位分辨率的输出模式。
（9）按照（6）到（8）的任何一项所述的摄像机系统，其中
当选择一位输出模式时，从像素输出的像素信号进一步经历增益G>1的信号放大，然后输入到AD转换设备中，
当选择通过多位分辨率的输出模式时，不对从像素输出的信号进行放大而输入AD转换设备中。
（10）按照（6）到（9）的任何一项所述的摄像机系统，包括判定结果综合电路，其被配置成综合感测电路多次作出的来自每个像素或每个像素组的判定结果，以生成具有灰度的图像拾取数据。
本公开包含与公开在2011年10月18日向日本专利局提交的日本优先权专利申请第2011-228895中的主题有关的主题，特此通过引用并入其全部内容。

Claims (10)

1.一种图像拾取设备，包含：
包括排列成阵列的多个像素的像素阵列部分，每个像素包括光电转换设备、配置成累积通过光电转换生成的电荷的存储部分、和配置成将累积的电荷输出成电信号的放大设备，每个像素被配置成响应光子入射将电信号输出到输出信号线；以及
包括感测电路的感测电路部分，该感测电路被配置成进行从所述像素中检测像素信号的处理，
其中该感测电路包括与所述输出信号线连接的模拟-数字（AD）转换设备，
使该AD转换设备可以通过至少两种模式，即，通过二元判定的一位输出模式、和通过多位分辨率的灰度输出模式操作，以及
至少当选择一位输出模式时，该AD转换设备综合来自对每个像素多次曝光的输出结果，以便通过计算确定入射在每个像素上的光强，或综合来自被认为单个光接收表面的多个像素的输出结果，以便通过计算确定入射在光接收表面上的光强。
2.按照权利要求1所述的图像拾取设备，其中当选择通过多位分辨率的灰度输出模式时，综合通过比一位输出模式中的曝光次数少的次数的曝光的输出结果，以便通过计算确定入射光的强度。
3.按照权利要求1所述的图像拾取设备，其中在低光照度上的图像拾取中选择一位输出模式，在高光照度上的图像拾取中选择通过多位分辨率的输出模式。
4.按照权利要求1所述的图像拾取设备，其中
当选择一位输出模式时，从像素输出的像素信号进一步经历增益G>1的信号放大，然后输入到AD转换设备中，
当选择通过多位分辨率的输出模式时，不对从像素输出的信号进行放大而输入AD转换设备中。
5.按照权利要求1所述的图像拾取设备，包括判定结果综合电路，其被配置成综合感测电路多次作出的来自每个像素或每个像素组的判定结果，以生成具有灰度的图像拾取数据。
6.一种配有图像拾取设备、光学系统、和信号处理电路的摄像机系统，该光学系统被配置成在图像拾取设备上形成被摄物的图像，该信号处理电路被配置成处理图像拾取设备的输出图像信号，该图像拾取设备包括：
包括排列成阵列的多个像素的像素阵列部分，每个像素包括光电转换设备、配置成累积通过光电转换生成的电荷的存储部分、和配置成将累积的电荷输出成电信号的放大设备，每个像素被配置成响应光子入射将电信号输出到输出信号线；以及
包括感测电路的感测电路部分，该感测电路被配置成进行从所述像素中检测像素信号的处理，
其中该感测电路包括与所述输出信号线连接的模拟-数字（AD）转换设备，
使该AD转换设备可以通过至少两种模式，即，通过二元判定的一位输出模式、和通过多位分辨率的灰度输出模式操作，以及
至少当选择一位输出模式时，该AD转换设备综合来自对每个像素多次曝光的输出结果，以便通过计算确定入射在每个像素上的光强，或综合来自被认为单个光接收表面的多个像素的输出结果，以便通过计算确定入射在光接收表面上的光强。
7.按照权利要求6所述的摄像机系统，其中当选择通过多位分辨率的灰度输出模式时，综合通过比一位输出模式中的曝光次数少的次数的曝光的输出结果，以便通过计算确定入射光的强度。
8.按照权利要求6所述的摄像机系统，其中在低光照度上的图像拾取中选择一位输出模式，在高光照度上的图像拾取中选择通过多位分辨率的输出模式。
9.按照权利要求6所述的摄像机系统，其中
当选择一位输出模式时，从像素输出的像素信号进一步经历增益G>1的信号放大，然后输入到AD转换设备中，
当选择通过多位分辨率的输出模式时，不对从像素输出的信号进行放大而输入AD转换设备中。
10.按照权利要求6所述的摄像机系统，包括判定结果综合电路，其被配置成综合感测电路多次作出的来自每个像素或每个像素组的判定结果，以生成具有灰度的图像拾取数据。
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