CN104937923A - 固态成像元件、其驱动方法和成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固态成像元件，包括：配置成矩阵的多个像素块，所述各像素块包括响应于入射光产生电荷的多个像素；控制单元，所述控制单元包括垂直扫描单元和水平扫描单元；和多个模拟数字转换器，所述各模拟数字转换器与所述各像素块对应地设置。所述控制单元被构造成在同时扫描位于相邻像素块的边界上的相邻像素的时机顺次扫描所述各像素。

Description

固态成像元件、其驱动方法和成像装置
相关申请的交叉参考
本申请要求于2013年2月13日提交的日本在先专利申请JP2013-025831的权益，其全部内容以引用的方式并入本文
技术领域
本公开涉及一种固态成像元件、其驱动方法和成像装置，具体涉及一种当在由多个像素构成的各像素块中设置模拟数字(AD)转换单元时优选的固态成像元件、其驱动方法和成像装置。
背景技术
作为安装在数位相机或数码摄像机上的固态成像元件，CMOS图像传感器(以下，缩写为CIS)是已知的。另外，存在其中将CIS用于传感用的成像装置中的情况，并且在这种用途的情况下，特别需要操作的快速性。
为了使CIS的操作高速化，其中将AD转换单元(以下，缩写为ADC)设置到一个或者较少数量的像素上并且多个ADC并行操作的方法是已知的。
在这种方法中，当将ADC设置在像素的同一基板内时会牺牲像素的光学特性。
因此，为了不牺牲像素的光学特性，提出了一种其中像素和ADC设置在不同的基板上并且两个基板使用Cu-Cu接合通过贴合而连接的构成。另外，由于一个ADC的大小通常相当于多个像素的大小，所以在不同的基板上的多个像素相应地与一个ADC连接(例如，参照PTL 1)。
图1示出了当由4*4像素的总计16个像素构成的像素块与不同的基板上的一个ADC对应连接的概念图。在图中，细线的矩形表示像素，粗线表示与一个ADC相关的像素块，数字表示像素的位置，箭头表示像素的扫描顺序。另外，将位于X行和Y列上的像素描述为像素(X，Y)。
例如，在其像素(0，0)位于左上的顶点处的像素块中，通过将左下的像素(3，0)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后读出右上的像素(0，3)。类似地，在该像素块的右边相邻的像素块中，通过将左下的像素(3，4)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后读出右上的像素(0，7)。
即，在各像素块中，将左下的像素设定为起始点，开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后读出右上的像素。
[引用文献列表]
[专利文献]
[PTL 1]
日本未审查专利申请公开No.2009-177207
发明内容
[技术问题]
在图1所示的扫描顺序的情况下，相邻像素块之间的边界上的像素(例如，像素(0，3)和像素(0，4)、像素(3，3)和像素(3，4)、像素(3，0)和像素(4，0)等)的扫描时机(被读出的时机)不彼此匹配。另外，在4*4像素的像素块的情况下，扫描时机的偏差最多仅为16个像素，然而，当像素的蓄积时间短时或者当被写体运动时，校正变得困难。因此，在像素块之间的边界上的图像中发生模糊，并且当将CIS用于图像传感等时，会使识别移动体的识别速率降低。
考虑到这种情况完成了本公开，并且以在CIS中，当一个ADC与由多个像素构成的像素块相关时，在像素块之间的边界上的图像中不发生模糊的方式完成了本公开。
[问题的解决方案]
本公开的一个示例性方面是一种固态成像元件，包括：配置成矩阵的多个像素块，所述各像素块包括构造成产生与入射光对应的电荷的多个像素；控制单元，所述控制单元包括垂直扫描单元和水平扫描单元；和多个模拟数字转换器，所述各模拟数字转换器与所述各像素块对应地设置，其中所述控制单元被构造成在同时扫描位于相邻像素块的边界上的相邻像素的时机顺次扫描所述各像素。
本公开的另一个示例性方面是一种固态成像元件的驱动方法，所述固态成像元件包括：配置成矩阵的多个像素块，所述各像素块包括构造成产生与入射光对应的电荷的多个像素；控制单元，所述控制单元包括垂直扫描单元和水平扫描单元；和多个模拟数字转换器，所述各模拟数字转换器与所述各像素块对应地设置，所述方法包括以下步骤：在同时扫描位于相邻像素块的边界上的相邻像素的时机顺次扫描所述各像素。
[发明的有益效果]
根据这些实施方案，可以抑制在像素块之间的边界上的图像的模糊的发生。
附图说明
图1是示出了现有技术中的像素块中的像素的扫描顺序的图。
图2是示出了本公开适用的固态成像元件的基板的构成例的图。
图3A是示出了图2中的上基板的构成例的框图。
图3B是示出了图2中的下基板的构成例的框图。
图4是示出了ADC的构成例的框图。
图5是示出了根据本公开的像素块中的像素的扫描顺序的图。
图6是示出了根据本公开的像素块中的像素的扫描顺序的图。
图7是示出了根据本公开的成像装置的构成例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明用于实施本公开的最佳形式(以下，被称作实施方案)。
<实施方案>
(作为本公开实施方案的固态成像元件的构成例)
图2是示出了作为本公开实施方案的固态成像元件由两个基板构成的概念图。即，固态成像元件10由上基板11和下基板12构成，并且上基板11和下基板12使用Cu-Cu接合等贴合并且在对应部分彼此连接。
图3A和图3B示意性地示出了上基板11和下基板12及其各自的电路构成。
如图3A所示，上基板11设置有配置成矩阵的多个像素21、垂直扫描单元23和水平扫描单元24。多个像素21的每个都被分成4*4像素的一个像素块22。像素21利用光电转换处理产生与入射光对应的电荷，蓄积该电荷，并在基于来自垂直扫描单元23和水平扫描单元24的控制的扫描时机将与蓄积的电荷对应的像素信号传递到下基板12的ADC 31。
另外，根据该实施方案，像素块22由4*4像素的总计16个像素构成，然而，构成像素块22的像素21的数量或其形状是任意的，并且不限于4*4像素。
如图3B所示，下基板12设置有分别对应上基板11的像素块22的多个ADC 31、数字信号处理单元32、时机生成单元33和DAC 34。各ADC 31将从属于对应像素块22的多个像素21顺次传递的模拟像素信号转换成数字信号。
图4示出了ADC 31的构成例。ADC 31包括比较单元41和锁存单元42。比较单元41将从对应像素块22的各像素21顺次传递的模拟像素信号与从DAC 34输入的Ramp信号进行比较，并且将其比较结果输出到锁存单元42。基于比较单元41的比较结果，当Ramp信号横切像素信号时，锁存单元42保持输入的代码值。将在锁存单元42中保持的代码值作为数字像素信号在数字信号处理单元32中读出。
<操作说明>
图5示出了设置在固态成像元件10的上基板11上的各像素块22中的多个像素21的扫描顺序的一个例子。在图中，细线的矩形表示像素21，粗线表示与一个ADC 31相关的像素块22，数字表示像素的位置，箭头表示像素的扫描顺序。另外，将X行和Y列的像素21描述为像素(X，Y)。
例如，在其中像素(0，0)位于左上的顶点处的像素块220，0中，通过将左下的像素(3，0)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后扫描右上的像素(0，3)。
在其中像素(0，4)位于左上的顶点处的像素块220，4中，通过将右下的像素(3，7)设定为起始点来开始在水平左方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后扫描左上的像素(0，4)。
在其中像素(0，8)位于左上的顶点处的像素块220，8中，通过将左下的像素(3，8)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后扫描右上的像素(0，11)。
在其中像素(4，0)位于左上的顶点处的像素块224，0中，通过将左上的像素(4，0)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后扫描右下的像素(7，3)。
在其中像素(4，4)位于左上的顶点处的像素块224，4中，通过将右上的像素(4，7)设定为起始点来开始在水平左方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直下方向上移动，并且最后扫描左下的像素(7，4)。
在其中像素(4，8)位于左上的顶点处的像素块224，8中，通过将左上的像素(4，8)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直下方向上移动，并且最后扫描右下的像素(7，11)。
在其中像素(8，0)位于左上的顶点处的像素块228，0中，通过将左下的像素(11，0)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后扫描右上的像素(8，3)。
在其中像素(8，4)位于左上的顶点处的像素块228，4中，通过将右下的像素(11，7)为设定起始点来开始在水平左方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后扫描左上的像素(8，4)。
在其中像素(8，8)位于左上的顶点处的像素块228，8中，通过将左下的像素(11，8)设定为起始点来开始在水平右方向上扫描，顺次使待扫描的行在垂直上方向上移动，并且最后扫描右上的像素(8，11)。
即，具有四种属于像素块22的16个像素的扫描顺序的图案，并且当关注像素块22X，Y时，扫描顺序与像素块22X，Y共同的像素块22是在右方向上由一个像素块分开的像素块22X，Y+8、在左方向上由一个像素块分开的像素块22X，Y-8、在上方向上由一个像素块分开的像素块22X-8，Y和在下方向上由一个像素块分开的像素块22X+8，Y。
另外，相对于像素块22X，Y的扫描顺序，像素块22X，Y的左右临近的像素块22X，Y+4和像素块22X，Y-4的扫描顺序在水平方向上的移动相反，并且在垂直方向上的移动是共同的。
另外，相对于像素块22X，Y的扫描顺序，像素块22X，Y的垂直临近的像素块22X-4，Y和像素块22X+4，Y的扫描顺序在垂直方向上的移动相反，并且在水平方向上的移动是共同的。
另外，相对于像素块22X，Y的扫描顺序，位于与像素块22X，Y成对角线的位置的像素块22X-4，Y-4、像素块22X-4，Y+4、像素块22X+4，Y-4和像素块22X+4，Y+4的扫描顺序在水平方向上的移动相反，并且在垂直方向上的移动也相反。
当如图所示设定属于各像素块22的16个像素的扫描顺序时，位于相邻像素块22的边界上的像素的扫描时机通常彼此匹配。因此，可以防止在像素块22的边界上发生图像模糊，并且可以抑制图像中被写体的拓扑结构的变化。
在这种情况下，当被写体移动时，各像素块22中图像的失真方向变得不同，然而，在用于传感的情况下，在许多情况下，拓扑结构的变化影响移动体的识别，而不是各像素块中失真方向的差别。因此，特别地，根据该实施方案的固态成像元件10优选用于传感，并且当识别移动体时可以抑制识别速率的降低。
(变形例)
图6示出了设置在固态成像元件10的上基板11上的各像素块22中的多个像素21的扫描顺序的另一个例子。在图中，同样，细线的矩形表示像素21，粗线表示与一个ADC 31相关的像素块22，数字表示像素的位置，箭头表示像素的扫描顺序。
在该图的情况下，属于像素块22的16个像素的扫描顺序通过将像素块22的四个顶点的任一个设定为起始点而在水平方向上移动，其后螺旋状向上移动到像素块22的中心。
即使在该图的情况下，当具有四种属于像素块22的16个像素的扫描顺序的图案并且关注像素块22X，Y时，扫描顺序与像素块22X，Y共同的像素块22是在右方向上由一个像素块分开的像素块22X，Y+8、在左方向上由一个像素块分开的像素块22X，Y-8、在上方向上由一个像素块分开的像素块22X-8，Y和在下方向上由一个像素块分开的像素块22X+8，Y。
当像素块22X，Y的扫描顺序的起始点是四个顶点中的左上的那个时，像素块22X，Y的左右临近的像素块22X，Y+4和像素块22X，Y-4的扫描顺序的起始点变为四个顶点中右上的那个。
另外，像素块22X，Y的垂直临近的像素块22X-4，Y和像素块22X+4，Y的扫描顺序的起始点变为四个顶点中左下的那个。
另外，位于与像素块22X，Y成对角线的位置的像素块22X-4，Y-4、像素块22X-4，Y+4、像素块22X+4，Y-4和像素块22X+4，Y+4的扫描顺序的起始点变为四个顶点中右下的那个。
在图6的情况下，同样，类似于图5的情况，位于相邻像素块22之间的边界上的像素的扫描时机通常彼此匹配。因此，可以防止在像素块22之间的边界上发生图像模糊，并且可以抑制图像中被写体的拓扑结构的变化。
另外，设置在固态成像元件10的上基板11上的各像素块22中的多个像素21的扫描顺序不限于图5或图6中所示的例子，并且相邻像素块之间的边界上的像素的扫描顺序通常可以设定为匹配。
(固态成像元件10的应用例)
图7示出了其上安装有固态成像元件10的成像装置50的构成例。在成像装置50中，固态成像元件10根据由光学透镜51聚集的入射光进行光电转换处理，并且基于作为其结果产生的电荷将数字图像信号输出到DSP 52。例如，成像装置50可以用于传感。
另外，本公开的实施方案不限于上述实施方案，并且可以在不超出本公开的范围的情况下进行各种变形。
本公开的一种构成是一种固态成像元件，包括：配置成矩阵的多个像素块，所述各像素块包括构造成产生与入射光对应的电荷的多个像素；控制单元，所述控制单元包括垂直扫描单元和水平扫描单元；和多个模拟数字转换器，所述各模拟数字转换器与所述各像素块对应地设置，其中所述控制单元被构造成在同时扫描位于相邻像素块的边界上的相邻像素的时机顺次扫描所述各像素。
本公开的另一种构成是根据前述构成所述的固态成像元件，其中所述控制单元被构造成顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于相邻像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件，其中所述控制单元被构造成顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于所有直接相邻的像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件，其中所述各像素块的扫描顺序是其中通过将位于所述各像素块的角部的像素设定为起始点来开始在水平方向上扫描、使待扫描的行在垂直方向上顺次移动并且最后扫描位于所述各像素块的相对角部的像素的图案。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件，其中所述各像素块的扫描顺序是从位于所述各像素块的角部的像素开始的直线螺旋图案。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件，还包括：上基板，所述上基板包括所述多个像素块和所述控制单元；和下基板，所述下基板包括所述多个模拟数字转换器和时机生成单元，其中所述上基板和所述下基板在对应部分彼此贴合并连接。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件，其中在各个像素块内的所述各像素配置成方形子矩阵。
本公开的另一种构成是一种固态成像元件的驱动方法，所述固态成像元件包括：配置成矩阵的多个像素块，所述各像素块包括构造成产生与入射光对应的电荷的多个像素；控制单元，所述控制单元包括垂直扫描单元和水平扫描单元；和多个模拟数字转换器，所述各模拟数字转换器与所述各像素块对应地设置，所述方法包括以下：在同时扫描位于相邻像素块的边界上的相邻像素的时机顺次扫描所述各像素。
本公开的另一种构成是根据前述构成所述的固态成像元件的驱动方法，还包括以下步骤：顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于相邻像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件的驱动方法，还包括以下步骤：顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于所有直接相邻的像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件的驱动方法，其中所述各像素块的扫描顺序是其中通过将位于所述各像素块的角部的像素设定为起始点来开始在水平方向上扫描、使待扫描的行在垂直方向上顺次移动并且最后扫描位于所述各像素块的相对角部的像素的图案。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件的驱动方法，其中所述各像素块的扫描顺序是从位于所述各像素块的角部的像素开始的直线螺旋图案。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件的驱动方法，所述固态成像元件还包括：上基板，所述上基板包括所述多个像素块和所述控制单元；和下基板，所述下基板包括所述多个模拟数字转换器和时机生成单元，其中所述上基板和所述下基板在对应部分彼此贴合并连接。
本公开的另一种构成是根据前述构成中任一种所述的固态成像元件的驱动方法，其中在各个像素块内的所述各像素配置成方形子矩阵。
本公开的另一种构成是一种成像装置，包括：根据前述构成中任一种所述的固态成像元件；光学透镜，所述光学透镜被构造成将光聚集到所述固态成像元件上；和数字信号处理器，所述数字信号处理器被构造成处理所述固态成像元件的输出信号。
[附图标记列表]
10  固态成像元件
11  上基板
12  下基板
21  像素
22  像素块
31  ADC
50  成像装置

Claims (15)

1.一种固态成像元件，包括：
配置成矩阵的多个像素块，所述各像素块包括构造成产生与入射光对应的电荷的多个像素；
控制单元，所述控制单元包括垂直扫描单元和水平扫描单元；和
多个模拟数字转换器，所述各模拟数字转换器与所述各像素块对应地设置，其中
所述控制单元被构造成在同时扫描位于相邻像素块的边界上的相邻像素的时机顺次扫描所述各像素。
2.根据权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述控制单元被构造成顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于相邻像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
3.根据权利要求1所述的固态成像元件，其中
所述控制单元被构造成顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于所有直接相邻的像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
4.根据权利要求3所述的固态成像元件，其中
所述各像素块的扫描顺序是其中通过将位于所述各像素块的角部的像素设定为起始点来开始在水平方向上扫描、使待扫描的行在垂直方向上顺次移动并且最后扫描位于所述各像素块的相对角部的像素的图案。
5.根据权利要求3所述的固态成像元件，其中
所述各像素块的扫描顺序是从位于所述各像素块的角部的像素开始的直线螺旋图案。
6.根据权利要求1所述的固态成像元件，还包括：
上基板，所述上基板包括所述多个像素块和所述控制单元；和
下基板，所述下基板包括所述多个模拟数字转换器和时机生成单元，
其中所述上基板和所述下基板在对应部分彼此贴合并连接。
7.根据权利要求1所述的固态成像元件，其中
在各个像素块内的所述各像素配置成方形子矩阵。
8.一种固态成像元件的驱动方法，所述固态成像元件包括：配置成矩阵的多个像素块，所述各像素块包括构造成产生与入射光对应的电荷的多个像素；控制单元，所述控制单元包括垂直扫描单元和水平扫描单元；和多个模拟数字转换器，所述各模拟数字转换器与所述各像素块对应地设置，所述方法包括以下步骤：
在同时扫描位于相邻像素块的边界上的相邻像素的时机顺次扫描所述各像素。
9.根据权利要求8所述的固态成像元件的驱动方法，还包括以下步骤：
顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于相邻像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
10.根据权利要求8所述的固态成像元件的驱动方法，还包括以下步骤：
顺次扫描所述各像素使得各个像素块的扫描顺序相对于所有直接相邻的像素块的扫描顺序在行方向上或列方向上是反向的。
11.根据权利要求10所述的固态成像元件的驱动方法，其中
所述各像素块的扫描顺序是其中通过将位于所述各像素块的角部的像素设定为起始点来开始在水平方向上扫描、使待扫描的行在垂直方向上顺次移动并且最后扫描位于所述各像素块的相对角部的像素的图案。
12.根据权利要求10所述的固态成像元件的驱动方法，其中
所述各像素块的扫描顺序是从位于所述各像素块的角部的像素开始的直线螺旋图案。
13.根据权利要求8所述的固态成像元件的驱动方法，所述固态成像元件还包括：
上基板，所述上基板包括所述多个像素块和所述控制单元；和
下基板，所述下基板包括所述多个模拟数字转换器和时机生成单元，
其中所述上基板和所述下基板在对应部分彼此贴合并连接。
14.根据权利要求8所述的固态成像元件的驱动方法，其中
在各个像素块内的所述各像素配置成方形子矩阵。
15.一种成像装置，包括：
根据权利要求1所述的固态成像元件；
光学透镜，所述光学透镜被构造成将光聚集到所述固态成像元件上；和
数字信号处理器，所述数字信号处理器被构造成处理所述固态成像元件的输出信号。
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