TW201813062A - 攝影元件及攝影系統 - Google Patents

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船水航
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Abstract

本發明提供一種減少偏斜之攝影元件及減少偏斜之攝影系統。本發明提供一種攝影元件，其包含：複數個光電轉換部；及複數個受光部，其等分別對應於由1個或複數個光電轉換部構成之複數個區塊而配置，接收指示光電轉換部之驅動之驅動光，並將驅動訊號輸出至對應之光電轉換部。又，本發明提供一種攝影系統，該攝影系統具備：該攝影元件；發光部，其與複數個受光部隔開配置，且將驅動光發出至複數個受光部。

Description

攝影元件及攝影系統
本發明係關於一種攝影元件及攝影系統。
過去以來，具有複數個像素之攝影元件由於用以發送驅動脈衝之配線距離針對每一像素不同，故而於讀出訊號之時序產生延遲(偏斜(skew))。習知之攝影元件藉由將驅動控制線之內分點設置於攝影元件之內部，而使偏斜減少至1/4、或1/16(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1 日本專利特開2006-50566號公報
然而，於習知之攝影元件中，無法充分減少偏斜。又，於習知之攝影元件中，驅動控制線之配線變得複雜。
於本發明之第1態樣中，提供一種攝影元件，其包含：複數個光電轉換部；及複數個受光部，其等分別對應於由1個或複數個光電轉換部構成之複數個區塊而配置，接收指示光電轉換部之驅動之驅動光，並將驅動訊號輸出至對應之光電轉換部。
於本發明之第2態樣中，提供一種攝影系統，其具備：第1 態樣之攝影元件；及發光部，其與複數個受光部隔開配置，且將驅動光發出至複數個受光部。
再者，上述發明之概要並非為列舉本發明之全部特徵者。又，該等特徵群之子組合亦可成為發明。
1‧‧‧透鏡
2‧‧‧被攝體
3‧‧‧參照板
10‧‧‧光電轉換基板
11‧‧‧光電轉換部
12‧‧‧像素區域
13‧‧‧周邊區域
14‧‧‧區塊
20‧‧‧受光基板
21‧‧‧受光部
23‧‧‧同步電路
25‧‧‧遮光部
30‧‧‧發光基板
31‧‧‧發光部
32‧‧‧校正部
33‧‧‧發光陣列
40‧‧‧中間層
50‧‧‧調整部
51‧‧‧記憶部
60‧‧‧溫度檢測部
70‧‧‧照明部
75‧‧‧照明驅動部
80‧‧‧基準脈衝產生部
85‧‧‧脈衝控制部
100‧‧‧攝影元件
200‧‧‧攝影系統
DL‧‧‧驅動光
TX‧‧‧儲存訊號
圖1表示攝影元件100之構成之概要。
圖2表示具有多晶片構造之攝影元件100之構成之一例。
圖3表示光電轉換基板10之面方向之剖面圖之一例。
圖4表示實施例1之攝影元件100之構成之一例。
圖5表示實施例2之攝影系統200之構成之一例。
圖6表示實施例3之攝影系統200之構成之一例。
圖7係用以說明實施例3之校準計測驅動原理之圖。
圖8表示發光基板30之剖面圖及調整部50之更詳細之構成。
以下，通過發明之實施形態說明本發明，但以下實施形態並非限定申請專利範圍所涉及之發明者。又，於實施形態中所說明之特徵之全部組合未必均為發明之解決手段所必需者。
圖1表示攝影元件100之構成之概要。本例之攝影元件100具備光電轉換基板10、受光基板20、發光基板30、中間層40及調整部50。
光電轉換基板10具有複數個光電轉換部11。於一例中，光電轉換基板10具有呈二維狀地排列之N×M個光電轉換部11。本例之光電轉換部11係於二維面內呈矩陣狀地排列之像素。光電轉換部11產生與所接收之光之強度相應之電荷。光電轉換部11儲存所產生之電荷，並輸出與所儲存之電荷量相應之訊號。例如，光電轉換部11包含光電轉換元件、進行光電轉換元件所儲存之儲存電荷之重置動作或讀出動作之電晶體等電路。
受光基板20根據所接收之驅動光DL，將儲存訊號TX輸出至光電轉換基板10。受光基板20藉由一次性地接收驅動光DL而被一次脈衝驅動。藉此，受光基板20可將高精度(低偏斜)之儲存訊號TX供給至光電轉換基板10。儲存訊號TX控制光電轉換部11之光電轉換元件所產生之電荷之儲存時間。受光基板20可積層於光電轉換基板10而形成。又，受光基板20亦可具有對表示光電轉換基板10之受光量之類比訊號之像素訊號進行數位轉換之類比-數位轉換(ADC)電路。受光基板20具有對應於各光電轉換部11而配置之複數個受光部21。
受光部21對應於每一光電轉換部11或區塊而配置。本說明書中所謂區塊表示任意個數之光電轉換部11之集合。受光部21根據所接收之驅動光DL，將儲存訊號TX輸出至對應之光電轉換部11，而控制光電轉換部11之儲存時間。例如，於針對每一光電轉換部11而設置受光部21之情形時，呈矩陣狀地排列N×M個受光部21，控制對應之光電轉換部11之儲存時間。又，於針對每一區塊設置受光部21之情形時，對應於區塊配置受光部21而一次控制對應之區塊中所包含之光電轉換部11之儲存時間。
發光基板30藉由對受光部21照射驅動光DL，而控制受光部21輸出儲存訊號TX之時序。發光基板30藉由對受光部21一次照射驅動光DL，相較於使用電訊號進行一次驅動更能抑制儲存訊號TX之偏斜。發光基板30具有對受光部21照射驅動光DL之複數個發光部31。本例之發光基板30係積層於受光基板20而形成。發光基板30亦可設置於攝影元件100之外部。再者，發光基板30可具有光驅動電路及訊號處理電路。
發光部31對應於受光部21而設置，將驅動光DL發出至對應之1或複數個受光部21。本例之發光部31係與受光部21一對一地對應設置，亦可少於受光部21之數量。例如，發光部31於與受光部21一對一地對應設置之情形時，對應於受光部21呈矩陣狀地排列。又，於發光部31對應於複數個受光部21而設置之情形時，發光部31對應於複數個受光部21而配置，一次控制對應之複數個受光部21之驅動。例如，發光部31為近紅外雷射二極體(NIR-LD)陣列或近紅外發光二極體(NIR-LED)陣列。
中間層40配置於受光基板20與發光基板30之間，將驅動光DL自發光部31傳輸至受光部21。於一例中，中間層40具有透明基板及光纖等傳輸驅動光DL之構成。又，若將受光基板20及發光基板30隔開而形成，則中間層40成為大氣。中間層40可將驅動光DL擴散而傳輸至受光部21，亦可將驅動光DL轉換為平行光而傳輸至受光部21。例如，中間層40藉由利用光擴散構件使驅動光DL擴散，即便減少發光部31之數量亦可保持驅動指令之同時性。
調整部50調整發光部31發出驅動光DL之時序。例如，調整部50以使發光部31一次性地發出驅動光DL之方式進行調整。又，調整 部50亦能夠以於受光基板20一次性接收驅動光DL之方式進行調整。於此情形時，調整部50將基於由受光部21接收驅動光DL之時序之反饋訊號輸入至對應之發光部31。再者，調整部50可對應於每一光電轉換部11或區塊而設置。
如上所述，本例之攝影元件100針對每一光電轉換部11或區塊使用經調整之驅動光DL供給儲存訊號TX。藉此，攝影元件100可減少偏斜。
圖2表示具有多晶片構造之攝影元件100之構成之一例。本例之攝影元件100具備光電轉換基板10、受光基板20及發光基板30。再者，攝影元件100對應於透鏡1而設置。
光電轉換基板10係設置有複數個光電轉換部11之像素晶片。受光基板20係具有驅動電路及ADC電路之驅動晶片。光電轉換基板10用之晶片及受光基板20用之晶片相互積層而設置。例如，光電轉換基板10及受光基板20以光電轉換基板10中光電轉換部11接收外界光之側之面與受光基板20中受光部21接收驅動光DL之側之面相互成為相反側之方式積層。所謂外界光係指光電轉換部11所接收之光。光電轉換部11與受光部21藉由將晶片彼此連接之配線而電性連接。
發光基板30係光驅動及訊號處理用之晶片。發光基板30用之晶片與光電轉換基板10及受光基板20之積層構造隔開設置。於此情形時，中間層40為大氣。發光基板30藉由將驅動光DL照射至受光基板20而使儲存訊號TX一次驅動。又，發光基板30用之晶片亦可積層於光電轉換基板10用之晶片及受光基板20用之晶片而設置。例如，發光基板30 及受光基板20係發光基板30中發光部31發出驅動光DL之側之面與受光基板20中受光部21接收驅動光DL之側之面相互相向而積層。
如上所述，本例之攝影元件100係積層光電轉換基板10及受光基板20而形成。藉此，攝影元件100不設置複雜之驅動控制線即可使偏斜減少。但發光基板30並非必須積層於光電轉換基板10及受光基板20。
圖3表示光電轉換基板10之面方向之剖面圖之一例。本例之光電轉換基板10具備二維地排列有複數個光電轉換部11之像素區域12。但本例之光電轉換基板10不具有虛線所表示之包圍光電轉換部11之周圍之區域即周邊區域13。
像素區域12係呈矩陣狀地排列有N×M個光電轉換部11之區域。於像素區域12，圖示有光電轉換部11及區塊14作為一例。區塊14由2×2個呈矩陣狀排列之4個光電轉換部11構成。區塊14可由偶數個光電轉換部11構成，亦可由奇數個光電轉換部11構成。
存在有於周邊區域13設置用以掃描光電轉換基板10之驅動之驅動電路、處理電路及輸出電路等之情形。於此情形時，由於對光電轉換部11自周邊區域13供給驅動訊號，故而產生與自周邊區域13至對應之像素為止之配線之長度相應之偏斜。例如，於大型感測器中，存在若不採取任何偏斜延遲之對策則產生100ns左右之偏斜之情形。
本例之攝影元件100具有積層各層而成之多晶片構造，對應於光電轉換部11或區塊14，積層配置受光部21等控制電路。藉此，於光電轉換部11或區塊14之間配線距離之不均減少。又，攝影元件100係使用驅動光DL一次控制所積層之受光部21等控制電路。藉此，本例之攝影 元件100可將偏斜減少為1ns以下。攝影元件100於需要進行超精密時間計測之情形時尤其有效。例如，攝影元件100用於螢光觀測用、精密光計測用之TOF。
如上所述，攝影元件100不新準備複雜之周邊電路即可供給高精度(低偏斜)之儲存TX脈衝。攝影元件100可針對每一光電轉換部11或區塊14進行光電轉換基板10內之偏斜校正。又，攝影元件100即便於獲取訊號後進行校正之情形時亦可供給高精度(低偏斜)之儲存TX脈衝，故而即便為超高速光源亦可將偏斜減少為於獲取訊號後可校正之程度。
[實施例1]
圖4表示實施例1之攝影元件100之構成之一例。該圖特別圖示對應於單個光電轉換部11配置受光部21及發光部31之情形。本例之受光部21具備同步電路23及遮光部25。又，發光部31具備校正部32及發光陣列33。
同步電路23係根據驅動光DL而輸出與儲存基準訊號TXglobal同步之儲存訊號TX之同步電路。於一例中，儲存基準訊號TXglobal係與光電轉換基板10共通之時脈訊號。同步電路23具備光檢測電路、緩衝電路及鎖存電路。同步電路23可針對每一光電轉換部11設置，亦可針對每一區塊14設置。同步電路23藉由光檢測電路接收驅動光DL，並經由緩衝電路將訊號輸入至鎖存電路之重置端子。又，對重置端子輸入儲存基準訊號TXglobal。同步電路23將儲存訊號TXi分別輸出至對應之光電轉換部11。再者，由於受光基板20接合於光電轉換基板10而設置，故而於各像素間，自同步電路23至光電轉換部11為止之配線延遲不產生差異。又， 同步電路23亦可不使用儲存基準訊號TXglobal而當藉由光檢測電路接收驅動光DL時直接輸出儲存訊號TXi。
遮光部25遮蔽驅動光DL之一部分，而抑制鄰接之像素間之串擾。遮光部25對應於每一光電轉換部11或區塊14而配置。由於遮光部25抑制鄰接之像素間之串擾，故而使來自與受光部21對應之發光部31之驅動光DL之發光時序一致。本例之遮光部25可由1段構成，亦可由多段構成。本例之遮光部25由2段遮光構成。
發光陣列33連結於複數個發光元件。本例之發光陣列33具有NIR-LD陣列。發光陣列33可對應於單個受光部21設置，亦可對應於複數個受光部21設置。
校正部32根據自調整部50輸入之訊號，調整發光陣列33之驅動光DL之發光時序。例如，校正部32針對發光陣列33所具有之NIR-LD之每一者校正驅動光DL之發光時序。又，校正部32可一次校正發光陣列33所具有之複數個NIR-LD之驅動光DL之發光時序。藉此，驅動光DL被一次輸入至對應於各光電轉換部11之同步電路23。
中間層40由使驅動光DL透過之透明基材構成。例如，中間層40由透過率T=0.5左右之材料形成。亦可藉由利用易擴散之材料形成中間層40，減少發光陣列33之個數。於一例中，中間層40之材料根據驅動光DL之特性而決定。攝影元件100亦可根據中間層40之材料調整配置遮光部25及發光陣列33之位置。例如，攝影元件100於中間層40使用易擴散之材料之情形時，減小遮光部25之開口部。又，攝影元件100亦可於中間層40使用不易擴散之材料之情形時，增大遮光部25之開口部。
攝影元件100藉由以相對較少數之LD陣列構成發光基板30，可減少儲存訊號TX之偏斜。例如，攝影元件100若藉由佈局管理及出廠設定校正偏斜，則可不進行校準而達到十ps以下級之精度。再者，攝影元件100具有與背面照射型(BSI：Back Side Illumination)相似之構造，而能夠以與BSI相同之製程製造。
[實施例2]
圖5表示實施例2之攝影系統200之構成之一例。本例之攝影系統200除了具備攝影元件100以外，還具備照明部70及照明驅動部75。本例之攝影系統200係對被攝體2照射參照光RL，並檢測來自被攝體2之螢光等被激發之光、或反射光。
發光部31使用來自受光基板20之背面之驅動光DL，使複數個受光部21一次脈衝驅動。本例之發光部31係與受光部21隔開配置，且以較受光部21之個數少之個數之構成。藉由使發光部31之個數相對於受光部21之個數較少，而偏斜之減少效果變大。發光部31較佳為與受光部21隔開可確保像素間之等長性之程度。所謂像素間之等長性係指驅動光DL之光路長度於像素間均可視為一定。本例之攝影元件100係對配置於受光基板20之複數個受光部21具備單個發光部31。但攝影元件100亦可具備複數個發光部31。
中間層40具備大氣或光纖作為傳遞驅動光DL之光傳遞構件。中間層40藉由使受光部21與發光部31充分隔開，亦可將驅動光DL作為平行光傳輸至受光部21。又，中間層40亦可具備用以將驅動光DL轉換為平行光之透鏡。
攝影系統200藉由將發光部31自受光基板20隔開設置，可簡化攝影晶片之構成。此處，所謂攝影晶片係指由具有光電轉換基板10之像素晶片、及積層於該像素晶片之晶片構成之元件。藉由簡化攝影晶片之構成，於應用於內視鏡攝影等之情形時有效。又，攝影系統200藉由將發光部31與受光基板20隔開設置，可抑制攝影晶片自身之發熱。
照明部70對被攝體2照射參照光RL而對被攝體2進行照明。又，照明部70藉由對照射被攝體2照射參照光RL，亦可激發被攝體2。攝影系統200藉由檢測照射至被攝體2之參照光RL，而拍攝被攝體2之圖像。攝影系統200僅於參照光RL照射被攝體2的期間，拍攝被攝體2之圖像。參照光RL可為與驅動光DL不同波長之光。
照明驅動部75控制照明部70照射參照光RL之時序。照明驅動部75亦可與調整部50同步調整照射參照光RL之時序、及照射驅動光DL之時序。例如，與調整部50使發光部31照射驅動光DL之時序同時，照明驅動部75使照明部70照射參照光RL。又，照明驅動部75亦可於使照明部70照射參照光RL後，立即對調整部50輸出訊號而使驅動光DL照射。
本例之攝影系統200藉由將受光部21與發光部31充分隔開，可將偏斜減少為十ps以下。本例之攝影系統200亦可應用於內視鏡攝影，僅獲取與參照光RL同步之圖像。
[實施例3]
圖6表示實施例3之攝影系統200之構成之一例。本例之攝影系統200藉由校準而校正因每一光電轉換部11或區塊之不均等產生之偏斜。例如， 校準係藉由根據所拍攝之圖像針對每一光電轉換部11進行時間計測而進行。本例之攝影系統200具備參照板3、基準脈衝產生部80及脈衝控制部85。
基準脈衝產生部80將偏斜校正用之脈衝波PW照射至參照板3。脈衝波PW為了校準儲存訊號TX之像素間之偏斜，而具有特定長度之脈衝長度。但脈衝波PW於脈衝長度無特別限制，可根據校準之方法適當設定。
參照板3將自基準脈衝產生部80入射之脈衝波PW朝向透鏡1反射或擴散。參照板3可構成為配合於校準時自動地插入。本例之攝影系統200基於經由參照板3接收脈衝波PW之光時之複數個光電轉換部11之輸出訊號，調整驅動光DL之發光時序。
脈衝控制部85控制基準脈衝產生部80照射脈衝波PW之時序。脈衝控制部85以脈衝波PW之照射與儲存訊號TX具有特定關係之方式進行控制。例如，脈衝控制部85配合於儲存訊號TX之上升或下降之時序而照射脈衝波PW。又，脈衝控制部85亦可配合於觸發脈衝PDRST之上升或下降之時序而照射脈衝波PW。
圖7係用以說明實施例3之校準計測驅動原理之圖。於本例中，分別表示校準觸發脈衝PDRST之情形、及校準儲存訊號TX之情形。
於校準觸發脈衝PDRST之情形時，於脈衝波PW之照射過程中輸出觸發脈衝PDRST。於本例中，為了校準觸發脈衝PDRST之下降時序，而以於脈衝波PW之照射過程中包含觸發脈衝PDRST之下降之方式進行控制。攝影系統200針對每一光電轉換部11或區塊14計測自觸發脈 衝PDRST之下降至脈衝波PW之下降為止之時間。再者，於本說明書中，將自觸發脈衝PDRST之下降至脈衝波PW之下降為止之時間特別稱為觸發脈衝PDRST之下降位置資訊。
於校準儲存訊號TX之情形時，於脈衝波PW之照過程射中輸出儲存訊號TX。於本例中，為了校準儲存訊號TX之下降時序，而以於脈衝波PW之照射過程中包含儲存訊號TX之下降之方式進行控制。攝影系統200針對每一光電轉換部11或區塊14計測自脈衝波PW之下降至儲存訊號TX之下降為止之時間。再者，於本說明書中，將自脈衝波PW之下降至儲存訊號TX之下降為止之時間特別稱為儲存訊號TX之下降位置資訊。
圖8表示發光基板30之剖面圖及調整部50之更詳細之構成。本例之攝影元件100具備溫度檢測部60。又，調整部50具備延遲電路、多工器MPX及記憶部51。
溫度檢測部60檢測攝影元件100之溫度。本例之溫度檢測部60設置於發光基板30，亦可分別設置於光電轉換基板10及受光基板20。又，本例之溫度檢測部60於發光基板30之端部設置1個，亦可於發光基板30之面內設置複數個溫度檢測部60。於此情形時，調整部50亦可使用對應於各光電轉換部11之溫度檢測部60之溫度，針對每一光電轉換部11調整發出驅動光DL之時序。
調整部50獲取觸發脈衝PDRST或儲存訊號TX之下降位置資訊。又，調整部50針對每一光電轉換部11對所獲取之下降位置資訊進行多次平均。調整部50算出每一光電轉換部11之校正資料。又，調整部50基於溫度檢測部60所檢測出之溫度，調整驅動光DL之發光時序。調整 部50亦可針對每一光電轉換部11或區塊14而設置。
記憶部51存儲調整部50所算出之校正資料。例如，所謂校正資料係觸發脈衝PDRST或儲存訊號TX之下降位置資訊。又，校正資料係基於溫度檢測部60所檢測出之溫度之資料。攝影元件100亦可藉由預先存儲有每一溫度之校正資料表，而基於與溫度檢測部60所檢測出之溫度對應之校正資料，調整驅動光DL之發光時序。例如，記憶部51於攝影開始時更新所存儲之資料。又，記憶部51亦能夠以特定週期定期地更新。
調整部50具有複數個延遲電路，將儲存訊號TXi分別以不同之延遲時間延遲。將已延遲之儲存訊號TXi輸入至多工器MPX，輸出與記憶於記憶部51之校正資料相應之儲存訊號TXo。藉此，調整部50於與下降位置資訊、或溫度檢測部60所檢測出之溫度相應之時序輸出儲存訊號TX。即，調整部50以自複數個光電轉換部11或區塊同時輸出訊號之方式，調整輸出儲存訊號TXi之時序。
以上，使用實施形態對本發明進行了說明，但本發明之技術範圍並不限定於上述實施形態所記載之範圍。發明所屬技術領域中具有通常知識者明白可對上述實施形態添加各種變更或改良。根據申請專利範圍之記載可明白此種添加了變更或改良之形態亦可包含於本發明之範圍中。
應注意如下情況：於申請專利範圍、說明書、及圖式中所表示之裝置、系統、程式、及方法中之動作、程序、步驟、及階段等各處理之執行順序只要未特別明確表示「之前」、「先於」等，又，並非於以後之處理中使用以前之處理之輸出，則能夠以任意順序實現。對於申請專利範圍、說明書、及圖式中之動作流程，即便為了方便而使用「首先」、「其次」 等進行說明，亦並非意指必須以該順序實施。

Claims (11)

  1. 一種攝影元件，其包含：複數個光電轉換部；及複數個受光部，其等分別對應於由1個或複數個上述光電轉換部構成之複數個區塊而配置，接收指示上述光電轉換部之驅動之驅動光，並將驅動訊號輸出至對應之上述光電轉換部。
  2. 如申請專利範圍第1項之攝影元件，其具備：光電轉換基板，其具有上述複數個光電轉換部；及受光基板，其積層於上述光電轉換基板，且具有上述複數個受光部；以上述光電轉換基板中上述光電轉換部接收外界光之側之面與上述受光基板中上述複數個受光部接收上述驅動光之側之面成為相互相反側之方式積層。
  3. 如申請專利範圍第2項之攝影元件，其具備發光基板，該發光基板積層於上述受光基板，且具有發出上述驅動光之1個或複數個發光部，上述發光基板中上述發光部發出上述驅動光之側之面與上述受光基板中上述複數個受光部接收上述驅動光之側之面相互相向而積層。
  4. 如申請專利範圍第3項之攝影元件，其中上述發光部以較上述複數個受光部少之數量設置。
  5. 如申請專利範圍第3項之攝影元件，其進而包含調整部，該調整部調整上述複數個發光部各者發出上述驅動光之時序。
  6. 如申請專利範圍第5項之攝影元件，其中上述複數個光電轉換部接收 照射至預先規定之基準被攝體之基準脈衝之光，上述調整部基於上述複數個光電轉換部之輸出，調整上述複數個發光部發出上述驅動光之時序。
  7. 如申請專利範圍第5項之攝影元件，其進而具備檢測上述攝影元件之溫度之溫度檢測部，且上述調整部基於上述溫度檢測部所檢測出之溫度，調整上述複數個發光部發出上述驅動光之時序。
  8. 如申請專利範圍第2至7中任一項之攝影元件，其中上述受光基板進而具備遮光部，該遮光部對應於上述複數個受光部之各者而配置，遮蔽上述驅動光之一部分。
  9. 一種攝影系統，其具備：如申請專利範圍第1項之攝影元件；及發光部，其與上述複數個受光部隔開配置，且將上述驅動光發出至上述複數個受光部。
  10. 如申請專利範圍第9項之攝影系統，其於上述發光部與上述複數個受光部之間進而具備將上述驅動光傳遞至上述複數個受光部之光傳遞構件。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之攝影系統，其相對上述複數個受光部具備1個上述發光部。
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