CN112771672A - 固态摄像元件、固态摄像装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

固态摄像元件(1)设置有像素电路(20)，所述像素电路(20)通过利用光电转换部对入射在像素上的光进行光电转换来产生像素信号，并且所述像素电路(20)设置有放大像素信号的第一晶体管(26)。所述像素电路(20)包括：第二晶体管(27)，参考信号从参考信号产生部输入到所述第二晶体管(27)中；以及第三晶体管(28)，其向所述第一晶体管(26)和所述第二晶体管(27)输出偏置电流。

Description

固态摄像元件、固态摄像装置和电子设备
技术领域
本公开涉及固态摄像元件、固态摄像装置和电子设备。
背景技术
为了实现小型化并提高像素开口率，已知这样的摄像装置：通过层叠布置有像素的像素基板和安装有外围电路的逻辑基板而构成。
例如，提出了一种摄像装置，其中，像素以二维格子形式布置在像素基板上，用于处理从像素输出的像素信号的模数转换器布置在逻辑基板上(例如，专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：WO 2016/009832
发明内容
技术问题
然而，在上述相关技术中，由于像素和模数转换器布置在不同的基板上，所以用于连接像素和模数转换器的布线变长。模拟像素信号的信号电平相对较弱。因而，当在布线上传输模拟像素信号时，该信号容易受到噪声的影响。因此，需要一种能够减少噪声影响的技术。
因此，本公开提出了能够减少噪声影响的固态摄像元件、固态摄像装置和电子设备。
技术问题的解决方案
为了解决上述缺点，根据本公开的一个方面的固态摄像元件包括像素电路，在所述像素电路中布置有用于放大像素信号的第一晶体管，所述像素信号是通过光电转换器对进入像素的光进行光电转换而产生，所述像素电路包括第二晶体管和第三晶体管，参考信号从参考信号产生器输入到所述第二晶体管，第三晶体管向所述第一晶体管和所述第二晶体管输出偏置电流。
附图说明
图1是示出根据本公开的实施例的固态摄像元件的组件的示例的框图。
图2是用于描述根据本公开实施例的固态摄像元件的层叠结构的示意图。
图3是示出根据本公开的实施例的像素的构造的示意图。
图4是示出根据本公开的实施例的像素电路的构造的电路图。
图5是示出根据本公开的实施例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图6是示出根据本公开的实施例的像素的截面的构造的示例的示意图。
图7是示出根据本公开的实施例的第一变形例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图8是示出根据本公开的实施例的第二变形例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图9是示出根据本公开的实施例的第三变形例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图10是示出根据本公开的实施例的第四变形例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图11是示出根据本公开的实施例的第四变形例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图12是示出根据本公开的实施例的第四变形例的像素的电路图。
图13是示出根据本公开的实施例的第五变形例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图14是示出根据本公开的实施例的第五变形例的像素的截面的构造示例的示意图。
图15是示出根据本公开的实施例的第六变形例的像素中的晶体管的布置的示例的示意图。
图16是示出根据本公开的实施例的第六变形例的像素的截面的构造示例的示意图。
图17是示出固态摄像装置的构造示例的框图。
图18是示出内窥镜手术系统的示意性构造的示例的图。
图19是示出摄像头和CCU的功能性构造的示例的框图。
图20是示出车辆控制系统的示意性构造的示例的框图。
图21是用于描述车外信息检测部和摄像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。要注意的是，在下面的每个实施例中，用相同的附图标记表示相同的部分，并且将省略重复的描述。
另外，将根据下面列出的项目的顺序描述本公开。
1.实施例
1-1.固态摄像元件的构造
1-2.固态摄像元件的层叠结构
1-3.像素电路的构造
2.第一变形例
3.第二变形例
4.第三变形例
5.第四变形例
6.第五变形例
7.第六变形例
8.固态摄像装置的应用示例
9.内窥镜手术系统的应用示例
10.移动体的应用示例
(1.实施例)
<1-1.固态摄像元件的构造>
参考图1，将描述根据本公开的实施例的固态摄像元件的组件。图1是示出根据本公开的实施例的固态摄像元件的组件的示例的框图。根据本公开的实施例的固态摄像元件可以应用于其上安装有数码相机等的各种类型的电子设备。
如图1所示，固态摄像元件1包括像素阵列单元110、像素驱动电路220、DAC 230、垂直驱动电路240、时序生成电路250和输出单元260。
多个像素111以二维阵列布置在像素阵列单元110中。稍后将描述像素111的构造。
像素驱动电路220例如驱动像素111中的图3所示的像素电路。
DAC 230例如产生参考信号REF，该参考信号REF的电压根据时间的流逝单调降低。DAC 230例如将已经生成的参考信号REF输出到像素111。
例如，基于时序生成电路250提供的时序信号，垂直驱动电路240进行控制以将像素111中已经产生的数字像素信号以预定顺序输出到输出单元260。
例如，时序生成电路250产生各种时序信号。例如，时序生成电路250将已经产生的各种时序信号输出到像素驱动电路220、DAC 230、垂直驱动电路240等。
<1-2.固态摄像元件的层叠结构>
参照图2，将描述根据本公开的实施例的固态摄像元件的层叠结构。图2是用于描述根据本公开的实施例的固态摄像元件的层叠结构的示意图。
如图2所示，固态摄像元件1具有第一基板100和第二基板200层叠的结构。固态摄像元件1例如包括像素阵列单元110、逻辑电路210、像素驱动电路220、DAC(数模转换器)230、垂直驱动电路240、时序生成电路250和输出单元260。
第一基板100和第二基板200可以例如以通常被称为芯片内建芯片(CoC，Chip onChip)的方法结合在一起，其中，第一基板100和第二基板200分别被分成芯片，然后将已经单一化的第一基板100和第二基板200结合在一起。另外，第一基板100和第二基板200可以以通常被称为晶片上芯片(CoW，Chip on Wafer)的方法结合，其中，将第一基板100或第二基板200中的任一个(例如，第一基板100)分成芯片，然后将已单一化的第一基板100在第二基板200单一化之前(即，处于晶片状态)结合至第二基板200。此外，均处于晶片状态的第一基板100和第二基板200可以以通常被称为晶片上晶片(WoW，Wafer on Wafer)的方法结合在一起。
例如，等离子体结合等可以用作用于结合第一基板100和第二基板200的结合方法。然而，可以使用各种结合方法而不限于上述方法。
第一基板100和第二基板200的尺寸可以相同或可以不同。第一基板100和第二基板200例如均是诸如硅基板等半导体基板。
例如，像素阵列单元110布置在第一基板100上。
第二基板200包括例如逻辑电路210、像素驱动电路220、DAC 230、垂直驱动电路240、时序生成电路250和输出单元260。
参考图3，将描述根据本实施例的像素111。图3是示出根据本实施例的像素111的构造的框图。
如图3所示，像素111包括像素电路20和电流镜电路30。
如稍后将详细描述的，像素电路20包括例如光电转换器并且产生模拟像素信号，该光电转换器用于产生和累积与接收到的光的光量相对应的电荷信号。另外，像素电路20例如具有将已经生成的模拟像素信号转换为数字像素信号的功能。即，像素电路20自身将已经产生的模拟图像信号转换为数字图像信号。具体地，像素电路20包括从DAC 230向其输入参考信号REF的晶体管，以及向其输入偏置电流的晶体管。
在像素信号SIG大于参考信号REF的情况下，电流镜电路30将预定信号输出至外围电路270。
<1-3.像素电路的构造>
参考图4，将描述根据本公开的实施例的像素电路的构造。图4是示出根据本公开的实施例的像素电路的构造的电路图。
如图4所示，像素电路20包括光电转换器21、排放晶体管22、传输晶体管23、复位晶体管24、浮动扩散层(FD)25、放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28。即，在本实施例中，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28布置在像素电路20内。换句话说，在本实施例中，参考信号的电流源和偏置电流的电流源布置在像素电路20内。
电流镜电路30包括晶体管31和晶体管32。晶体管31和晶体管32均包括例如PMOS晶体管。
光电转换器21例如接收光，进行光电转换，并产生与所接收的光的光量相对应的电荷。光电转换器21可以由例如光电二极管来实现。
排放晶体管22用于调整曝光时段。具体地，在期望开始曝光时段的任意时刻使排放晶体管导通时，直到此时为止累积在光电转换器21中的电荷都被释放到溢出漏极41。因此，在排放晶体管22接着截止后，开始曝光时段。
传输晶体管23将由光电转换器21已产生的电荷传输到浮动扩散层25。
复位晶体管24复位保持在浮动扩散层25中的电荷。
放大晶体管26的栅极与浮动扩散层25连接。因此，放大晶体管26放大从浮动扩散层25输出的电荷信号。放大晶体管26的源极与偏置晶体管28的漏极连接。放大晶体管26的源极和偏置晶体管28的漏极通过布线61彼此连接。放大晶体管26的漏极与晶体管32的漏极连接。
参考晶体管27与放大晶体管26一起构成差分对。即，差分放大器的一部分设置在像素电路20中。具体地，放大晶体管26、参考晶体管27、偏置晶体管28和电流镜电路30用作差分放大器。从DAC 230输出的参考信号REF被输入到参考晶体管27的栅极。参考晶体管27的源极与偏置晶体管28的漏极连接。这里，参考晶体管27的源极和偏置晶体管28的漏极通过布线61彼此连接。参考晶体管27的漏极与晶体管31和晶体管32的栅极连接。另外，参考晶体管27的漏极与晶体管31的漏极连接。
偏置晶体管28的栅极与未示出的电流源连接。另外，电流信号从电流源输出到偏置晶体管28的栅极。偏置晶体管28的源极连接到GND。因此，偏置晶体管28将偏置电流Vb输出到放大晶体管26和参考晶体管27。
如上所述，像素电路20包括放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28。因此，可以在像素电路20的内部将模拟像素信号转换为数字像素信号。于是，可以缩短用于连接放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28的布线61。因此，可以减小噪声的影响。
参照图5，将描述像素电路20中的每个晶体管的布置的示例。图5是示出根据本公开的实施例的每个晶体管的布置的示例的示意图。
第一排放晶体管21-1、第二排放晶体管21-2和传输晶体管23与光电转换器21连接。在这种情况下，第一排放晶体管21-1将光电转换器21中累积的电荷排放到第一溢出漏极41-1。具体地，在光电转换器21中，第一排放晶体管21-1排放累积在第一排放晶体管21-1中而不是第二排放晶体管21-2中的电荷。第二排放晶体管21-2将累积在光电转换器21中的电荷排放到第二溢出漏极41-2。具体地，在光电转换器21中，第二排放晶体管21-2排放累积在第二排放晶体管21-2中而不是第一排放晶体管21-1中的电荷。以这种方式，通过将两个排放晶体管与光电转换器21连接，可以有效地排放累积在光电转换器21中的电荷。
第一排放晶体管21-1和第二排放晶体管21-2这两个晶体管与光电转换器21连接。然而，这是说明性示例，并不限制本公开。与光电转换器21连接的排放晶体管的数量可以是一个或三个以上。即，至少一个排放晶体管可以与光电转换器21连接。另外，在多个排放晶体管与光电转换器21连接的情况下，多个排放晶体管可以连接在同一侧或者连接在不同侧。
如上所述，传输晶体管23将由光电转换器21产生的电荷传输到浮动扩散层25。浮动扩散层25与接地焊盘GND和放大晶体管26连接。接地由像素电路20中的SUB焊盘确定。
复位晶体管24、放大晶体管26和参考晶体管27直线状布置。复位晶体管24、放大晶体管26和参考晶体管27通过第一扩散层51彼此电连接。端子CUL和端子CUR是用于将输出信号从放大晶体管26和参考晶体管27输出到外围电路的端子。
偏置晶体管28与不同于第一扩散层51的第二扩散层52电连接。这里，第一扩散层51和第二扩散层52不电连接。因此，偏置晶体管28、放大晶体管26和参考晶体管27通过布线61彼此电连接。
如上所述，在本实施例中，参考晶体管27和偏置晶体管28布置在像素电路20中，并且放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28通过布线61彼此电连接。因此，与在像素电路20的外部布置用作恒流源的偏置晶体管28的情况相比，可以缩短布线的长度。因此，减小了噪声的影响。
图6是示出根据实施例的像素的截面的构造的示意图。图6示出了形成在第一基板中的光电转换器21、排放晶体管22、传输晶体管23、复位晶体管24和浮动扩散层25。在排放晶体管22的左部，形成有掺杂有相对大量的供体的N+层。光电转换器21设置在排放晶体管22与传输晶体管23之间，并通过在N型半导体的上部层叠P+层而构成。浮动扩散层25包括N+层。另外，第一基板100和第二基板200通过连接布线70彼此连接，连接布线70被设置为连接形成在第一基板100和第二基板200中的各自的N+层。
(2.第一变形例)
参考图7，将描述根据本实施例的第一变形例的像素中的晶体管的布置。图7是示出根据本实施例的第一变形例的像素中的晶体管的布置的示意图。
如图7所示，复位晶体管24、放大晶体管26和参考晶体管27直线状布置。复位晶体管24、放大晶体管26和参考晶体管27通过第一扩散层51彼此电连接。偏置晶体管28与不同于第一扩散层51的第二扩散层52电连接。
这里，在像素电路20A中，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28沿着第一扩散层51依次布置。因此，用于电连接放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28的布线61的长度可以更短。因此，能够进一步减小噪声的影响。
在第一变形例中，优选地，参考晶体管27的源极和与偏置晶体管28的漏极连接的接地节点彼此相邻。通过使参考晶体管27的源极与接地相邻，能够减小暗电流。
(3.第二变形例)
参照图8，将描述根据本实施例的第二变形例的像素中的晶体管的布置。图8是示出根据本实施例的第二变形例的像素中的晶体管的布置的示意图。
如图8所示，复位晶体管24、放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28通过同一第三扩散层53彼此电连接。即，复位晶体管24、放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28共享扩散层。具体地，偏置晶体管28的漏极与第三扩散层连接。因此，在第二变形例中，不需要设置用于电连接放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28的布线61。因此，在第二变形例中，例如，能够降低成本。另外，由于不考虑布线61的布线图案，因此便于设计。
(4.第三变形例)
参照图9，将描述根据本实施例的第三变形例的像素中的晶体管的布置。图9是示出根据本实施例的第三变形例的像素中的晶体管的布置的示意图。
图9示出了第一像素电路20C-1和第二像素电路20C-2。第一像素电路20C-1具有与图5所示的像素电路20类似的构造。第二像素电路20C-2与图5所示的像素电路20的不同之处在于，未设置偏置晶体管28。
如图9所示，第一像素电路20C-1和第二像素电路20C-2共享设置在第一像素电路20C-1中的偏置晶体管28。具体地，第二像素电路20C-2和偏置晶体管28通过设置在第一像素电路20C-1和第二像素电路20C-2之间的布线61彼此连接。在这种情况下，偏置晶体管28将偏置电流输出到第一像素电路20C-1和第二像素电路20C-2各者中的放大晶体管26和参考晶体管27。因此，可以减少在整个固态摄像元件中使用的偏置晶体管28的数量。因此，能够降低成本。
注意，在图9中，已经描述了在两个像素电路之间共享偏置晶体管的构造。然而，这是说明性示例，并不限制本公开。在本公开中，可以在三个或更多个像素电路之间共享偏置晶体管。在这种情况下，例如，可以设置布线以连接多个像素。此外，在本公开中，可以组合包括偏置晶体管的多个像素电路和不包括偏置晶体管的多个像素电路。
(5.第四变形例)
参照图10，将描述根据本实施例的第四变形例的像素中的晶体管的布置。图10是示出根据本实施例的第四变形例的像素中的晶体管的布置的示意图。
在图10中，第一像素电路20D-1和第二像素电路20D-2与图5所示的像素电路20的不同之处在于未设置偏置晶体管28。
在第四变形例中，例如，偏置晶体管28被安装在像素阵列单元的外围电路上。即，在第四变形例中，放大晶体管26和参考晶体管27布置在第一像素电路20D-1和第二像素电路20D-2的每一个中，而偏置晶体管28布置在外部。
第一像素电路20D-1和第二像素电路20D-2共享布置在外部的偏置晶体管28。具体地，第一像素电路20D-1和第二像素电路20D-2通过例如布线61与偏置晶体管28电连接。在这种情况下，偏置晶体管28将偏置电流输入到第一像素电路20D-1和第二像素电路20D-2的每一个中的放大晶体管26和参考晶体管27。因此，可以减少在整个固态摄像元件中使用的偏置晶体管28的数量。因此，能够降低成本。
注意，在图10中，已经描述了在同一基板中的像素电路之间共享的偏置晶体管28。然而，这是说明性示例，并不限制本公开。在本公开中，例如，可以在布置于不同基板上的像素电路之间共享偏置晶体管28。
图11是示出在设置于不同基板上的像素电路之间共享偏置晶体管28的示例的示意图。如图11所示，可以在布置有第一像素电路20D-1的基板与布置有第二像素电路20D-2的基板之间的基板上设置偏置晶体管28。另外，在图11中，偏置晶体管28可以布置在例如第一像素电路20D-1或第二像素电路20D-2中。此外，在图11中，偏置晶体管28可以在设于具有两层以上的多个基板上的像素电路之间共享。
图12是示出根据本实施例的第四变形例的像素电路的电路图。如图12所示，除了偏置晶体管28设置在外部，第一像素电路20D-1和第二像素电路20D-2均具有与图4所示的像素电路20相似的电路构造。另外，在第四变形例中，第一像素电路20D-1与第一电流镜电路30-1连接，第二像素电路20D-2与第二电流镜电路30-2连接。
注意，在图10至图12中，已经描述了其中在两个像素电路之间共享设置在像素电路外部的一个偏置晶体管的构造。然而，这是说明性示例，并不限制本公开。在本公开中，可以在三个或更多个像素电路之间共享设置在外部的一个偏置晶体管。此外，可以在多个像素电路之间共享设置在外部的两个或更多个偏置晶体管。通过设置两个以上的偏置晶体管，能够使多个像素电路稳定地接收偏置电流。
(6.第五变形例)
参照图13，将描述根据本实施例的第五变形例的像素中的晶体管的布置。图13是示出根据本实施例的第五变形例的像素中的晶体管的布置的示意图。
如图13所示，根据本实施例的像素电路20E与图5所示的像素电路20的不同之处在于，偏置晶体管28设置在与设置有像素电路20E的基板不同的基板上。
图14是示出像素电路20E的截面的示例的示意图。在图14所示的示例中，例如，像素电路20E布置在第一基板100上。然后，层压在第一基板100上的第二基板200A包括例如像素区域80和逻辑区域90。在这种情况下，例如，偏置晶体管28设置在与第一基板100不同的第二基板200A的像素区域80中，并将偏置电流提供给在图14中未示出的放大晶体管26和参考晶体管27。注意，例如，偏置晶体管28可以布置在逻辑区域90中。在图14中，第一基板100的构造与图6的构造相似，并且省略其描述。
(7.第六变形例)
参照图15，将描述根据本实施例的第六变形例的像素中的晶体管的布置。图15是示出根据本实施例的第六变形例的像素中的晶体管的布置的示意图。
如图15所示，根据本实施例的像素电路20F与图5所示的像素电路20的不同之处在于，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28设置在与设置有像素电路20F的基板不同的基板上。
第六变形例中的截面具有与图14所示的第五变形例中的像素电路20E类似的构造。在这种情况下，例如，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28布置在像素区域80中。要注意，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28可以布置在逻辑区域90中。此外，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28可以分离并布置在像素区域80和逻辑区域90中。
此外，在第六变形例中，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28可以分离并布置在例如三个或更多个基板上。图16是示出像素电路20F的截面的示例的示意图。在图16的示例中，示出了第一基板100、第二基板200B和第三基板300。这里，假定像素电路20F布置在例如第一基板100上。此外，假定第二基板200B是其上布置有诸如逻辑电路等外围电路的逻辑基板。此外，假定位于第一基板100和第二基板200B之间的第三基板300是像素基板。
在图16所示的情况下，放大晶体管26、参考晶体管27和偏置晶体管28分离并布置在例如第二基板200B和第三基板300上。在这种情况下，例如，放大晶体管26和参考晶体管27布置在第二基板200B上并且偏置晶体管28布置在第三基板300上就足够了。在这种情况下，第一基板100和第三基板300通过连接布线70-1彼此连接，连接布线70-1设置为连接形成在第一基板100和第三基板300上的各自的N+层。另外，第二基板200B和第三基板300通过连接布线70-2彼此连接，连接布线70-2设置为连接形成在第二基板200B和第三基板300上的各自的N+层。
(8.固态摄像装置的应用示例)
此外，如上所述的每个固态摄像元件可以应用于各种类型的电子设备，例如包括诸如数码相机或数码摄像机等摄像系统，配备有摄像功能的移动电话，或任何其他配备有摄像功能的装置。
参照图17，将描述安装在电子设备上的固态摄像装置的构造示例。图17是示出安装在电子设备上的固态摄像装置的构造示例的框图。
如图17所示，固态摄像装置1010包括光学系统1020、固态摄像元件1030和DSP(数字信号处理器)1040。通过经由总线1070连接显示装置1050、操作系统1060、存储器1080、记录装置1090和电源系统1100来构造DSP 1040。由于固态摄像装置1010具有这样的结构，因此固态摄像装置1010能够拍摄静止图像和运动图像。
光学系统1020包括一个或多个镜头，将来自对象的成像光(入射光)引导到固态摄像元件1030，并在固态摄像元件1030的光接收表面(传感器单元)上形成图像。
将上述每个固态摄像元件应用于固态摄像元件1030。在固态摄像元件1030中，根据经由光学系统1020在光接收表面上形成的图像，电子累积一定时间段。然后，与累积在固态摄像元件1030中的电子相对应的信号被提供给DSP 1040。
DSP 1040对来自固态摄像元件1030的信号执行各种类型的信号处理以获取图像，并将该图像的数据临时存储在存储器1080中。存储在存储器1080中的图像的数据被记录在记录装置1090中，或者被提供给显示装置1050以显示图像。另外，操作系统1060从用户接收各种操作，并将操作信号提供给固态摄像装置1010的每个块。电源系统1100提供驱动固态摄像装置1010的每个块所需的电力。
(9.内窥镜手术系统的应用示例)
根据本公开的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以应用于内窥镜手术系统。
图18是示出能够应用根据本公开的实施例的技术(本技术)的内窥镜手术系统的示意性构造的示例的图。
在图18中，示出了一种状态：其中，外科医生(医师)11131正在使用内窥镜手术系统11000对病床11133上的患者11132进行手术。如图所示，内窥镜手术系统11000包括内窥镜11100、例如气腹管11111和能量装置11112等其它手术工具11110、支撑内窥镜11100的支撑臂装置11120以及其上装载用于内窥镜手术的各种装置的推车11200。
内窥镜11100包括：镜筒11101，该镜筒具有从其末端起预定长度的区域以插入患者11132的体腔中；以及连接到该镜筒11101的近端的摄像头11102。在所示示例中，示出了内窥镜11100，其包括具有刚性镜筒11101的刚性内窥镜。然而，内窥镜11100也可以作为柔性内窥镜而包括具有柔性类型的镜筒11101。
镜筒11101在其末端具有开口，在该开口中安装有物镜。光源装置11203连接到内窥镜11100，使得由光源装置11203产生的光通过在镜筒11101内部延伸的光导被引入到镜筒11101的末端并且通过物镜朝着患者11132的体腔中的观察目标照射。注意，内窥镜11100可以是前视内窥镜，或者可以是斜视内窥镜或侧视内窥镜。
光学系统和摄像元件设置在摄像头11102的内部，使得来自观察目标的反射光(观察光)通过光学系统而被会聚在摄像元件上。通过摄像元件对观察光进行光电转换，以产生与观察光相对应的电信号，即，与观察图像相对应的图像信号。图像信号作为RAW数据被传输到相机控制单元(CCU)11201。
CCU 11201包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)等，并且整体地控制内窥镜11100和显示装置11202的操作。此外，CCU 11201接收来自摄像头11102的图像信号，并针对该图像信号执行各种诸如显影处理(去马赛克处理)等图像处理，以基于图像信号显示图像。
显示装置11202在CCU 11201的控制下基于由CCU 1121进行了图像处理的图像信号来显示图像。
光源装置11203包括诸如发光二极管(LED)之类的光源，并且在对手术区域成像时将照射光提供给内窥镜11100。
输入装置11204是用于内窥镜手术系统11000的输入接口。用户可以通过输入装置11204执行向内窥镜手术系统11000输入各种信息或指令的输入。例如，用户能够输入指示等以改变内窥镜11100的摄像条件(照射光的类型、放大率、焦距等)。
处理工具控制装置11205控制能量装置11112的驱动，以进行组织的烧灼或切割、血管的封合等。气腹装置11206通过气腹管11111将气体送到患者11132的体腔中以使体腔膨胀，从而确保内窥镜11100的视野并确保外科医生的工作空间。记录器11207是能够记录与手术有关的各种信息的装置。打印机11208是能够打印诸如文本、图像或图形等各种形式的与手术有关的各种信息的装置。
注意，当对手术部位进行拍摄时，向内窥镜11100提供照射光的光源装置1203可以包括白光源，该白光源例如包括LED、激光光源或二者的组合。在白光源包括红、绿和蓝(RGB)激光光源的组合的情况下，由于可以针对每种颜色(每种波长)以较高的精度控制输出强度和输出时间，所以光源装置11203可以执行所拍摄图像的白平衡的调节。此外，在这种情况下，如果来自各个RGB激光源的激光束以时分的方式照射在观察目标上，并且与照射时间同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，那么还能够以时分的方式拍摄分别对应于R、G和B颜色的图像。根据该方法，即使没有为摄像元件设置滤色器，也可以获得彩色图像。
此外，可以控制光源装置11203，使得针对各预定时间改变要输出的光的强度。通过与光强度的变化的时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，从而时分地获取图像并合成图像，能够创建高动态范围的图像，这样的图像没有曝光不足的阴影和曝光过度的高亮。
此外，光源装置11203可以被构造为提供用于特殊光观察的预定波长带的光。在特殊光观察中，例如，通过利用身体组织中的光的吸收率的波长依赖性，以照射与通常观察时的照射光(即白光)相比的窄带的光，执行以高对比度对诸如粘膜的表层部分的血管等预定组织进行成像的窄带观察(窄带摄像)。可替代地，在特殊光观察中，可以执行用于根据由激发光的照射产生的荧光获取图像的荧光观察。在荧光观察中，可以通过将激发光照射到人体组织上来观察来自人体组织的荧光(自发荧光观察)，或者通过将诸如吲哚花青绿(ICG)等试剂局部注入到人体组织中并在人体组织上照射与试剂的荧光波长相对应的激发光来获得荧光图像。光源装置11203可以被构造为提供如上所述的适于特殊光观察的窄带光和/或激发光。
图19是示出图18中所示的摄像头11102和CCU 11201的功能构造的示例的框图。
摄像头11102包括透镜单元11401、摄像单元11402、驱动单元11403、通信单元11404和摄像头控制单元11405。CCU 11201包括通信单元11411、图像处理单元11412和控制单元11413。摄像头11102和CCU 11201通过传输电缆11400相互连接以进行通信。
透镜单元11401是光学系统，设置在与镜筒11101的连接位置处。从镜筒11101的末端入射的观察光被引导至摄像头11102，并被引入到透镜单元11401中。透镜单元11401包括多个透镜的组合，包括变焦透镜和聚焦透镜。
摄像单元11402包括摄像元件。摄像单元11402所包括的摄像元件的数量可以是一个(单板型)或多个(多板型)。在将摄像单元11402构造为多板型的情况下，例如，通过摄像元件生成分别与R、G和B相对应的图像信号，并且可以合成图像信号以获得彩色图像。摄像单元11402还可以被构造为具有用于获取三维(3D)显示用的右眼图像信号和左眼图像信号的一对摄像元件。如果执行3D显示，则外科医生11131可以更准确地掌握手术区域中生物体组织的深度。要注意，在摄像单元11402被构造为立体型的情况下，与各个摄像元件对应地设置多个透镜单元11401的系统。
此外，摄像单元11402可以不必设置在摄像头11102上。例如，摄像单元11402可以设置为在镜筒11101内部紧接在物镜之后。
驱动单元11403包括致动器，并且在摄像头控制单元11405的控制下使透镜单元11401的变焦透镜和聚焦透镜沿光轴移动预定距离。因此，可以适当地调整由摄像单元11402拍摄的图像的放大率和焦点。
通信单元11404包括用于向CCU 11201传输以及从CCU 11201接收各种信息的通信装置。通信单元11404将从摄像单元11402获取的图像信号作为RAW数据通过传输电缆11400传输至CCU 11201。
另外，通信单元11404从CCU 11201接收用于控制摄像头11102的驱动的控制信号，并将该控制信号提供给摄像头控制单元11405。该控制信号包括与摄像条件有关的信息，例如，指定被摄图像的帧率的信息、指定图像拍摄时的曝光值的信息和/或指定拍摄图像的放大率和焦点的信息。
应当注意，诸如帧率、曝光值、放大率或焦点之类的摄像条件可以由用户指定或者可以由CCU 11201的控制单元11413基于获取的图像信号来自动设置。在后一种情况下，内窥镜11100内置有自动曝光(AE)功能、自动聚焦(AF)功能和自动白平衡(AWB)功能。
摄像头控制单元11405基于通过通信单元11404接收的来自CCU 11201的控制信号来控制摄像头11102的驱动。
通信单元11411包括用于向摄像头11102传输以及从摄像头11102接收各种信息的通信装置。通信单元11411通过传输电缆11400接收从摄像头11102向其传输的图像信号。
此外，通信单元11411将用于控制摄像头11102的驱动的控制信号传输到摄像头11102。可以通过电通信、光通信等来传输图像信号和控制信号。
图像处理单元11412对从摄像头11102传输来的RAW数据形式的图像信号执行各种图像处理。
控制单元11413执行与通过内窥镜11100对手术区域等进行图像拍摄有关以及与通过对手术区域等的图像拍摄获得的拍摄图像的显示有关的各种控制。例如，控制单元11413创建用于控制摄像头11102的驱动的控制信号。
此外，控制单元11413基于已经由图像处理单元11412执行了图像处理的图像信号来控制显示装置11202显示对手术区域等进行成像的拍摄图像。于是，控制单元11413可以使用各种图像识别技术来识别拍摄图像中的各种对象。例如，控制单元11413可以通过检测拍摄图像中包括的物体边缘的形状、颜色等来识别诸如镊子等手术工具、特定的活体区域、出血以及使用能量装置11112时的雾等。当控制单元11413控制显示装置11202显示拍摄图像时，控制单元11413可以利用识别结果使各种手术支持信息以与手术区域的图像重叠的方式显示。在以重叠的方式显示手术支持信息并将其提供给外科医生11131的情况下，可以减轻外科医生11131的负担，并且外科医生11131可以确定地进行手术。
将摄像头11102和CCU 11201彼此连接的传输电缆11400是用于电信号通信的电信号电缆、用于光通信的光纤或用于电通信和光通信二者的复合电缆。
这里，在所示的示例中，尽管通过使用传输电缆11400的有线通信来执行通信，但是摄像头11102与CCU 11201之间的通信可以通过无线通信来执行。
上文已经说明了能够应用根据本公开的技术的内窥镜手术系统的示例。根据本公开的技术能够应用于例如上述构造中的摄像单元11402。例如，图1中的固态摄像元件1可以应用于摄像单元11402。
要注意的是，这里以内窥镜手术系统为例进行了描述。然而，根据本公开的技术可以应用于其它系统，例如手术显微镜系统等。
(10.移动体的应用示例)
根据本公开的技术(本技术)可以应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以被实现为安装在以下任何种类的移动体上的设备，例如汽车、电动车、混合动力汽车、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人机、船舶和机器人。
图20是示出车辆控制系统的示意性构造的示例的框图，该车辆控制系统作为可应用根据本公开的实施例的技术的移动体控制系统的示例。
车辆控制系统12000包括通过通信网络12001相互连接的多个电子控制单元。在图20所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。此外，示出微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053作为集成控制单元12050的功能性构造。
驱动系统控制单元12010根据各种程序来控制与车辆的驱动系统有关的设备的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作用于如下设备的控制装置：诸如内燃机、驱动马达等产生车辆的驱动力的驱动力产生设备、用于将驱动力传递给车轮的驱动力传递机构、用于调节车辆的转向角的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动设备等。
车身系统控制单元12020根据各种程序控制设置于车身的各种设备的操作。例如，车身系统控制单元12020用作用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗设备或各种灯(如前照灯、倒车灯、刹车灯、转向信号灯、雾灯等)的控制设备。在这种情况下，从代替钥匙的移动设备发送的无线电波或各种开关的信号能够被输入到车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁设备、电动车窗设备、灯等。
车外信息检测单元12030检测关于包括车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与摄像部12031连接。车外信息检测单元12030使摄像部12031拍摄车辆外部的图像，并接收所拍摄的图像。基于接收到的图像，车外信息检测单元12030可以执行检测诸如路面上的人、车辆、障碍物、标志、字符等物体的处理，或者执行检测到其距离的处理。
摄像部12031是接收光并且输出与接收的光的光量相对应的电信号的光学传感器。摄像部12031可以将电信号输出为图像，或者可以将电信号输出为关于所测距离的信息。另外，由摄像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041例如包括拍摄驾驶员的相机。基于驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳程度或驾驶员的专注程度，或者可以确定驾驶员是否在打瞌睡。
微型计算机12051可以基于通过车外信息信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆内部或外部的信息来计算驱动力产生设备、转向机构或制动设备的控制目标值，并向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)功能的协同控制，该功能包括车辆的避撞或减震、基于跟随距离的跟随驾驶、车速保持驾驶、车辆碰撞预警、车辆偏离车道预警等。
另外，微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆外部或内部的信息通过控制驱动力产生设备、转向机构、制动设备等来执行旨在用于自动驾驶的协同控制，以使车辆不依赖于驾驶员的操作而自主地行驶。
另外，微型计算机12051可以基于车外信息检测单元12030获得的关于车辆外部的信息将控制命令输出到车身系统控制单元12020。例如，微型计算机12051例如可以根据由车外信息检测单元12030检测到的在前车辆或对向驶来的车辆的位置，通过控制前照灯将远光改变为近光，进行旨在防止眩光的协同控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一者的输出信号传输到能够在视觉上或听觉上将信息通知给车辆的乘员或车辆的外部的输出设备。在图20的示例中，示出音频扬声器12061、显示部12062和仪表盘12063作为输出设备。显示部12062可以例如包括车载显示器和抬头显示器中的至少一者。
图21是示出摄像部12031的安装位置的示例的图。
在图21中，车辆12100包括作为摄像部12031的摄像部12101、12102、12103、12104和12105。
摄像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、后视镜、后保险杠和后门上的位置以及在车辆内部的挡风玻璃上部的位置。设置在前鼻的摄像部12101和设置在车辆内部的挡风玻璃的上部的摄像部12105主要获得车辆12100的前方的图像。设置在后视镜的摄像部12102和12103主要获得车辆12100侧面的图像。设置在后保险杠或后门上的摄像部12104主要获得车辆12100后方的图像。由摄像部12101和12105获得的前方图像主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、车道等。
顺便提及地，图21示出了摄像部12101至12104的拍摄范围的示例。摄像范围12111表示设置在前鼻的摄像部12101的摄像范围。摄像范围12112和12113分别表示设置在后视镜的摄像部12102和12103的摄像范围。摄像范围12114表示设置在后保险杠或后门的摄像部12104的摄像范围。例如，通过叠加由摄像部12101至12104拍摄的图像数据来获得从上方观看的车辆12100的鸟瞰图像。
摄像部12101至12104中的至少一个可以具有获得距离信息的功能。例如，摄像部12101至12104中的至少一个可以是由多个摄像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，微型计算机12051可以基于从摄像部12101至12104获得的距离信息来确定到摄像范围12111至12114内的各三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而提取特别是在车辆12100的行进路径上并且在与车辆12100基本相同的方向上以预定速度(例如等于或大于0公里/小时)行进的最近的三维物体作为前方车辆。此外，微型计算机12051可以预先设置要保持在前方车辆之前的跟随距离，并且执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随启动控制)等。因此，能够执行旨在用于自动驾驶的协同控制，该协同控制使车辆自主地行驶而无需依赖驾驶员等的操作。
例如，微型计算机12051可以基于从摄像部12101至12104获得的距离信息将三维物体的三维物体数据分类为两轮车、标准尺寸车辆、大型车辆、行人、电线杆以及其他三维物体的三维物体数据，提取分类的三维物体数据，并将提取的三维物体数据用于自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物确认为车辆12100的驾驶员可以视觉识别的障碍物以及车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定表示与各个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或大于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051经由音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并通过驱动系统控制单元12010进行强制减速或回避转向。微型计算机12051由此能够辅助驾驶以避免碰撞。
摄像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051可以例如通过确定摄像部12101至12104所拍摄的图像中是否存在行人来识别行人。这种行人的识别例如通过如下过程来进行：提取作为红外相机的摄像部12101至12104的拍摄图像中的特征点；以及通过对表示对象的轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理来判定是否是行人。当微型计算机12051在摄像部12101至12104所拍摄的图像中判定有行人并因此识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得显示用于强调的正方形轮廓线叠加在识别出的行人上。声音/图像输出部12052还可以控制显示部12062，使得表示行人的图标等显示在期望的位置。
上文已经说明了能够应用根据本公开的技术的车辆控制系统的示例。根据本公开的技术能够应用于例如上述构造中的摄像部12031。具体地，可以将图1所示的固态摄像元件1应用于摄像部12031。
要注意的是，本说明书中描述的优点仅是示例性示例，而不必受限。可以想到其他优点。
要注意的是，本技术也可以采用以下构造。
(1)
一种固态摄像元件，其包括：
像素电路，在所述像素电路中布置有用于放大像素信号的第一晶体管，所述像素信号是通过光电转换器对进入像素的光进行光电转换而产生，
所述像素电路包括：
第二晶体管，参考信号从参考信号产生器输入到所述第二晶体管，以及
第三晶体管，其向所述第一晶体管和所述第二晶体管输出偏置电流。
(2)
根据上述(1)所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极与所述第三晶体管的漏极连接，
所述参考信号产生器与所述第二晶体管的栅极连接，并且
所述第三晶体管的源极接地。
(3)
根据上述(1)或(2)所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极与设置在外部的电流镜电路连接。
(4)
根据上述(1)至(3)中任一项所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管依次直线状布置。
(5)
根据上述(4)所述的固态摄像元件，其中，
所述第二晶体管的源极和与所述第三晶体管的漏极连接的接地节点彼此相邻。
(6)
根据上述(1)至(5)中任一项所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管共享扩散层。
(7)
根据上述(1)至(6)中任一项所述的固态摄像元件，其中，
所述第三晶体管由多个所述像素电路共享。
(8)
根据上述(7)所述的固态摄像元件，其中，
所述第三晶体管通过用来连接多个所述像素电路所形成的布线而被共享。
(9)
根据上述(7)或(8)所述的固态摄像元件，其中，
多个所述像素电路设置在彼此层叠的多个半导体基板上，并且
所述第三晶体管由设置在多个半导体基板上的多个所述像素电路共享。
(10)
根据上述(1)所述的固态摄像元件，其包括：
第一半导体基板，所述像素电路布置在所述第一半导体基板上；和
第二半导体基板，其层叠在所述第一半导体基板上并且其上未布置有所述像素电路，其中，
在所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管中，至少所述第三晶体管布置在所述第二半导体基板的所述像素中。
(11)
根据上述(10)所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在所述第二半导体基板的所述像素中。
(12)
根据上述(1)所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管布置在与布置有所述像素电路的基板不同的基板上。
(13)
一种固态摄像装置，其包括：
固态摄像元件；和
光学系统，其用于将来自对象的入射光引导至所述固态摄像元件，
所述固态摄像元件包括：
像素电路，在所述像素电路中布置有用于放大像素信号的第一晶体管，所述像素信号是通过光电转换器对进入像素的光进行光电转换而产生，
所述像素电路包括：
第二晶体管，参考信号从参考信号产生器输入到所述第二晶体管，和
第三晶体管，其向所述第一晶体管和所述第二晶体管输出偏置电流。
(14)
一种电子设备，在所述电子设备上安装有固态摄像装置，所述固态摄像装置包括：
固态摄像元件；和
光学系统，其用于将来自对象的入射光引导至固态摄像元件，
所述固态摄像元件包括：
像素电路，在所述像素电路中布置有用于放大像素信号的第一晶体管，所述像素信号是通过光电转换器对进入像素的光进行光电转换而产生，
所述像素电路包括：
第二晶体管，参考信号从参考信号产生器输入到所述第二晶体管，和
第三晶体管，其向所述第一晶体管和所述第二晶体管输出偏置电流。
附图标记列表
1：固态摄像元件
20：像素电路
21：光电转换器
22：排放晶体管
23：传输晶体管
24：复位晶体管
25：浮动扩散层(FD)
26：放大晶体管(第一晶体管)
27：参考晶体管(第二晶体管)
28：偏置晶体管(第三晶体管)
30：电流镜电路
31、32：晶体管
100：第一基板
110：像素阵列单元
111：像素
200：第二基板
210：逻辑电路
220：像素驱动电路
230：DAC
240：垂直驱动电路
250：时序生成电路
260：输出单元
270：外围电路
300：第三基板
1010：固态摄像装置
11000：内窥镜手术系统
12000：车辆控制系统

Claims (14)

1.一种固态摄像元件，其包括：
像素电路，在所述像素电路中布置有用于放大像素信号的第一晶体管，所述像素信号是通过光电转换器对进入像素的光进行光电转换而产生，
所述像素电路包括：
第二晶体管，参考信号从参考信号产生器输入到所述第二晶体管，以及
第三晶体管，其向所述第一晶体管和所述第二晶体管输出偏置电流。
2.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极与所述第三晶体管的漏极连接，
所述参考信号产生器与所述第二晶体管的栅极连接，并且
所述第三晶体管的源极接地。
3.根据权利要求2所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极与设置在外部的电流镜电路连接。
4.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管依次直线状布置。
5.根据权利要求4所述的固态摄像元件，其中，
所述第二晶体管的源极和与所述第三晶体管的漏极连接的接地节点彼此相邻。
6.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管共享扩散层。
7.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，
所述第三晶体管由多个所述像素电路共享。
8.根据权利要求7所述的固态摄像元件，其中，
所述第三晶体管通过用来连接多个所述像素电路所形成的布线而被共享。
9.根据权利要求7所述的固态摄像元件，其中，
所述多个像素电路设置在彼此层叠的多个半导体基板上，并且
所述第三晶体管由设置在多个半导体基板上的所述多个像素电路共享。
10.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其包括：
第一半导体基板，所述像素电路布置在所述第一半导体基板上；和
第二半导体基板，其层叠在所述第一半导体基板上并且其上未布置有所述像素电路，其中，
在所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管中，至少所述第三晶体管布置在所述第二半导体基板的所述像素中。
11.根据权利要求10所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管和所述第二晶体管布置在所述第二半导体基板的所述像素中。
12.根据权利要求1所述的固态摄像元件，其中，
所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述第三晶体管布置在与布置有所述像素电路的基板不同的基板上。
13.一种固态摄像装置，其包括：
固态摄像元件；和
光学系统，其用于将来自对象的入射光引导至所述固态摄像元件，
所述固态摄像元件包括：
像素电路，在所述像素电路中布置有用于放大像素信号的第一晶体管，所述像素信号是通过光电转换器对进入像素的光进行光电转换而产生，
所述像素电路包括：
第二晶体管，参考信号从参考信号产生器输入到所述第二晶体管，和
第三晶体管，其向所述第一晶体管和所述第二晶体管输出偏置电流。
14.一种电子设备，在所述电子设备上安装有固态摄像装置，所述固态摄像装置包括：
固态摄像元件；和
光学系统，其用于将来自对象的入射光引导至所述固态摄像元件，
所述固态摄像元件包括：
像素电路，在所述像素电路中布置有用于放大像素信号的第一晶体管，所述像素信号是通过光电转换器对进入像素的光进行光电转换而产生，
所述像素电路包括：
第二晶体管，参考信号从参考信号产生器输入到所述第二晶体管，和
第三晶体管，其向所述第一晶体管和所述第二晶体管输出偏置电流。
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