[发明专利]图像拾取设备以及摄像机系统

说明书

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。