專利名稱：成像器件及照相機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像器件(例如CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器等)以及照相機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在醫(yī)藥或生物技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)從身體發(fā)出的微弱發(fā)光或熒光進(jìn)行測(cè)量或成像變得日益活躍。在醫(yī)療或安全領(lǐng)域中，有一種技術(shù)已被產(chǎn)業(yè)化，該技術(shù)通過(guò)閃爍器 (scintillator)將透射穿過(guò)身體的少量X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)水平的光子并對(duì)這些光子進(jìn)行檢測(cè)以執(zhí)行透射成像(transmission imaging) 0另外，在醫(yī)療或安全領(lǐng)域中，還有一種技術(shù)也已被產(chǎn)業(yè)化，該技術(shù)通過(guò)閃爍器將由被注入人體中的少量輻射材料所產(chǎn)生的Y射線轉(zhuǎn)換成光子(例如單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像術(shù)(Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT) ^JE^^RMWiM^it^ (Positron Emission Tomography，PET))。在此領(lǐng)域中進(jìn)行成像時(shí)，針對(duì)極少量的光，使用光子計(jì)數(shù)器。通常，光子計(jì)數(shù)器是一種使用雪崩二極管(avalanche diode)或光電倍增管 (photomultiplier tube)的單一器件。此種光子計(jì)數(shù)器將入射到光接收表面上的光子轉(zhuǎn)換成光電子、利用高電壓使這些光電子加速并通過(guò)碰撞產(chǎn)生二次電子來(lái)使這些光電子倍增，從而在輸出端處產(chǎn)生電壓脈沖。脈沖數(shù)目一直是由連接至該器件的計(jì)數(shù)器器件進(jìn)行測(cè)量。盡管光子計(jì)數(shù)器具有高的測(cè)量精度，從而允許以一個(gè)光子為單位進(jìn)行檢測(cè)，然而該系統(tǒng)頗為昂貴且用于測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍也很窄。通常，一個(gè)光子計(jì)數(shù)器可測(cè)量的光子數(shù)目為1秒大約100萬(wàn)個(gè)至1000萬(wàn)個(gè)。另一方面，為在所要測(cè)量的相對(duì)較大量的光的范圍內(nèi)進(jìn)行成像，使用光電二極管以及模數(shù)(anal0g-t0-digital，AD)轉(zhuǎn)換器。光電二極管累積經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電極電荷，并輸出模擬信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。此種成像中的問(wèn)題是模擬信號(hào)的傳輸所造成的噪聲以及AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。為對(duì)少量的光進(jìn)行檢測(cè)，需要抑制噪聲并且還需要增大AD轉(zhuǎn)換中的位數(shù)目以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的斬波(chopping)。然而，為此，需要具有特高速度的AD轉(zhuǎn)換器。另外，如果使得具有大量像素以提高成像時(shí)的分辨率，則會(huì)顯著增大用于AD轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)尺寸。
基本上，噪聲低且精度高的光學(xué)檢測(cè)與大的動(dòng)態(tài)范圍二者均是對(duì)少量光進(jìn)行成像時(shí)所必需的。然而，尚無(wú)滿足這兩種要求的器件。舉例來(lái)說(shuō)，為減少X射線成像中的曝光量，需要具有等效于光子計(jì)數(shù)器水平的精度。然而，在普通的光子計(jì)數(shù)器中，無(wú)法獲得足以用于進(jìn)行成像的動(dòng)態(tài)范圍。另外，為提高分辨率，需要具有大量像素。然而，在此種情形中，包括計(jì)數(shù)器器件的系統(tǒng)非常昂貴。另一方面，日本專利文獻(xiàn)JP-A-1995-67043提出一種使用時(shí)間分割(time division)的新光子計(jì)數(shù)方法。其通過(guò)執(zhí)行關(guān)于在固定周期中是否有光子入射到光電二極管上的二值判斷，并對(duì)通過(guò)重復(fù)進(jìn)行該二值判斷多次而獲得的結(jié)果進(jìn)行積分，來(lái)得到二維成像數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，在每一固定周期中對(duì)來(lái)自光電二極管的信號(hào)進(jìn)行感測(cè)，并且如果該周期的入射光子的數(shù)目為1以上，則無(wú)論入射光子的數(shù)目如何，均使連接至各像素的計(jì)數(shù)器遞增1。如果光子入射的頻率在時(shí)間軸上是任意的，則光子入射的實(shí)際數(shù)目與計(jì)數(shù)數(shù)目之間的關(guān)系遵循泊松分布(Poisson distribution)。因此，如果入射頻率低，則上述關(guān)系變成近似線性的關(guān)系；而如果入射頻率高，則可執(zhí)行均勻校正。然而，根據(jù)日本專利文獻(xiàn)JP-A-1995-67043中所揭露的技術(shù)，由于感測(cè)電路及計(jì)數(shù)器是每一像素所必需的，因此像素的開(kāi)口面積被極大地減小。日本專利文獻(xiàn)JP-A-2004-193675提出一種配置在采取上述時(shí)間分割計(jì)數(shù)方法的同時(shí)，計(jì)數(shù)器設(shè)置于像素陣列外。然而，感測(cè)電路及存儲(chǔ)器仍然是每一像素所必需的。即使計(jì)數(shù)器設(shè)置于像素陣列外部，也要為每一像素提供計(jì)數(shù)器。因此，芯片的電路尺寸被不可避免地增大。此外，為在日本專利文獻(xiàn)JP-A-1995-67043或JP-A-2004-193675中所揭露的配置中增大成像時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍，需要在時(shí)間軸上精細(xì)地?cái)厍泄庾尤肷涞臏y(cè)量周期并提高像素存取速度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，期望提供一種成像器件以及一種照相機(jī)系統(tǒng)，以允許甚至在低照明度下也以較低噪聲且以寬的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行成像或光強(qiáng)度測(cè)量。本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種成像器件，該成像器件包括像素陣列部，其用作光接收部，在所述像素陣列部中以陣列形式設(shè)置有具有光電轉(zhuǎn)換器件的多個(gè)像素，當(dāng)光子入射時(shí)， 所述像素輸出電信號(hào)；感測(cè)電路部，其中排列有多個(gè)感測(cè)電路，所述感測(cè)電路接收來(lái)自所述像素的所述電信號(hào)并執(zhí)行關(guān)于在預(yù)定周期中是否有光子入射到所述像素上的二元判斷；以及判斷結(jié)果積分電路部，其具有如下功能，即針對(duì)所述各個(gè)像素或針對(duì)各像素群組來(lái)對(duì)所述感測(cè)電路的多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分。所述判斷結(jié)果積分電路部執(zhí)行光子計(jì)數(shù)以對(duì)所述多個(gè)像素中的所述多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分，從而得出入射到所述光接收部上的光子數(shù)量。本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種照相機(jī)系統(tǒng)，該照相機(jī)系統(tǒng)包括成像器件；光學(xué)系統(tǒng)，其用于在成像器件上形成物體圖像；以及信號(hào)處理電路，其用于處理成像器件的輸出圖像信號(hào)。所述成像器件包括像素陣列部，其用作光接收部，在所述像素陣列部中以陣列形式設(shè)置有具有光電轉(zhuǎn)換器件的多個(gè)像素，當(dāng)光子入射時(shí)，所述像素輸出電信號(hào)；感測(cè)電路部，其中排列有多個(gè)感測(cè)電路，所述感測(cè)電路接收來(lái)自所述像素的所述電信號(hào)并執(zhí)行關(guān)于在預(yù)定周期中是否有光子入射到所述像素上的二元判斷；以及判斷結(jié)果積分電路部，其具有如下功能，即針對(duì)所述各個(gè)像素或針對(duì)各像素群組來(lái)對(duì)所述感測(cè)電路的多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分。所述判斷結(jié)果積分電路部執(zhí)行光子計(jì)數(shù)以對(duì)所述多個(gè)像素中的所述多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分，從而得出入射到所述光接收部上的光子數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明的這些實(shí)施例，通過(guò)在不減小像素的開(kāi)口率的條件下不再需要模擬信號(hào)，能夠甚至在低照明度下也以較低噪聲且以寬的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行成像或光強(qiáng)度測(cè)量。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)的配置示例的圖；圖2是顯示本實(shí)施例中的光接收部的原理圖；圖3是顯示圖2所示光接收部的格網(wǎng)(mesh)的單元網(wǎng)格(unit grid)上的平均光子入射次數(shù)與平均計(jì)數(shù)數(shù)目之間的關(guān)系的圖；圖4是顯示本實(shí)施例中像素的電路配置的示例的圖；圖5是用于解釋第一實(shí)施例中的像素區(qū)塊的循環(huán)存取的圖；圖6是顯示具有自參考功能(self-reference)的感測(cè)電路的示例的電路圖；圖7A至圖7F是用于解釋讀取操作的示例的時(shí)序圖，該讀取操作是在圖4所示像素的示例中使用圖6所示具有自參考功能的感測(cè)電路來(lái)執(zhí)行；圖8是用于解釋本發(fā)明的第二實(shí)施例的圖，也是顯示對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例的像素區(qū)塊在使用內(nèi)部放大型光電二極管時(shí)的配置示例的圖；圖9A及圖9B是當(dāng)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件應(yīng)用于計(jì)算機(jī)斷層檢查 (Computer Tomography, CT)成像時(shí)的成像裝置的原理圖；圖10是顯示線性成像裝置的示例的圖，在該線性成像裝置中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件(光接收器件)被排列成一維直線形狀；圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件(光接收器件)的防輻射保護(hù)示例的圖；圖12是顯示通過(guò)對(duì)光子進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)而對(duì)輻射入射方向進(jìn)行估計(jì)的示例的示意圖；圖13是顯示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)的配置示例的圖；圖14是用于解釋使用根據(jù)第四實(shí)施例的成像器件進(jìn)行的光子檢測(cè)的時(shí)間分辨率的圖；圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)的配置示例的圖；圖16是用于解釋使用根據(jù)第五實(shí)施例的成像器件進(jìn)行的光子檢測(cè)的時(shí)間分辨率的圖；以及
圖17是顯示采用本發(fā)明實(shí)施例的固態(tài)成像器件的照相機(jī)系統(tǒng)的配置示例的圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。另外，將按照以下順序進(jìn)行說(shuō)明。1.本發(fā)明實(shí)施例的成像器件的特點(diǎn)概述2.第一實(shí)施例(成像器件的第一示例性配置)3.第二實(shí)施例(成像器件的第二示例性配置)4.第三實(shí)施例(成像器件的應(yīng)用示例)5.第四實(shí)施例(成像器件的第三示例性配置)6.第五實(shí)施例(成像器件的第四示例性配置)7.第六實(shí)施例(照相機(jī)系統(tǒng))1.本發(fā)明實(shí)施例的成像器件的特點(diǎn)概述在本發(fā)明實(shí)施例中，在高速并行讀取領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)了成像器件(CMOS圖像傳感器) 的最佳配置來(lái)作為使用光子計(jì)數(shù)的全數(shù)字圖像傳感器。首先，每一像素在特定周期內(nèi)輸出光子入射作為電信號(hào)。感測(cè)電路在一個(gè)幀周期內(nèi)接收所述結(jié)果多次，并根據(jù)二元值來(lái)執(zhí)行判斷。成像器件例如通過(guò)對(duì)每一像素進(jìn)行積分 Wir'^.M&MiM (gray-scale data)。 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件具有基于此種基本配置的以下特征。時(shí)間分割光子計(jì)數(shù)使得無(wú)需通過(guò)在固定循環(huán)中將光子檢測(cè)過(guò)程變成重復(fù)性檢測(cè)來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)由系統(tǒng)中的光子入射產(chǎn)生的脈沖。著眼于此，在本發(fā)明實(shí)施例中，首先，不采用其中每一像素均具有單獨(dú)的感測(cè)電路及單獨(dú)的計(jì)數(shù)器的配置，而是按等級(jí)排列這三種組件。也就是說(shuō)，在本發(fā)明實(shí)施例中，在采用時(shí)間分割光子計(jì)數(shù)的情況下，多個(gè)像素共享一個(gè)感測(cè)電路或多個(gè)感測(cè)電路共享一個(gè)計(jì)數(shù)電路。在本發(fā)明實(shí)施例中，舉例來(lái)說(shuō)，以循環(huán)方式讀取共享感測(cè)電路的多個(gè)像素，并且在從上一次讀取至當(dāng)前讀取的周期中執(zhí)行曝光。因此，上述共享不會(huì)對(duì)曝光時(shí)間造成不利影響。另外，在執(zhí)行對(duì)判斷結(jié)果的計(jì)數(shù)處理以及用于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器上的處理的同時(shí)，還可起動(dòng)下一曝光。因此，盡管進(jìn)行計(jì)數(shù)處理所需的時(shí)間會(huì)由于多個(gè)感測(cè)電路共享計(jì)數(shù)器而變長(zhǎng)，然而這并不對(duì)曝光時(shí)間造成不利影響。另外，在本發(fā)明實(shí)施例中，通過(guò)對(duì)多個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行相加來(lái)擴(kuò)大光子計(jì)數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)將不同像素的結(jié)果存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器的同一地址處，可非常容易地執(zhí)行共享計(jì)數(shù)器的各像素之間的加法。另外，設(shè)定通過(guò)將光接收部的所有計(jì)數(shù)結(jié)果相加而得出入射光總量的功能。例如， 這可通過(guò)在數(shù)據(jù)輸出部附近設(shè)置額外的加法器而容易地實(shí)現(xiàn)。另外，通過(guò)以直線或陣列形式提供此種光接收器件作為單元像素，便可對(duì)極少量的光進(jìn)行檢測(cè)并以寬的動(dòng)態(tài)范圍執(zhí)行成像。
根據(jù)采用上述配置的本發(fā)明實(shí)施例，可顯著地減小進(jìn)行光子計(jì)數(shù)所需的電路尺寸。因此，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體成像器件使用小型化技術(shù)，可執(zhí)行使用多個(gè)像素的高性能光子計(jì)數(shù)。光子計(jì)數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍是利用時(shí)間方向上的多重分割(multi-division)與入射表面的多重分割而由格網(wǎng)的總數(shù)目決定，并且每一格網(wǎng)均具有二元值。格網(wǎng)的分辨率及計(jì)數(shù)數(shù)目的動(dòng)態(tài)范圍隨半導(dǎo)體制造中的小型化技術(shù)的發(fā)展與速度的提高而增大。盡管根據(jù)本實(shí)施例僅利用一個(gè)成像器件便可實(shí)現(xiàn)精確的光強(qiáng)度檢測(cè)或精確的成像，然而通過(guò)將根據(jù)本實(shí)施例的多個(gè)成像器件作為單元光接收器件而排列成陣列，可以更寬的動(dòng)態(tài)范圍實(shí)現(xiàn)精確的成像。由于每一光接收器件均具有計(jì)數(shù)功能，因而可容易地構(gòu)建此種系統(tǒng)而無(wú)需使用昂貴的外部器件。另外，由于每一光接收器件均執(zhí)行與入射光子數(shù)目本身直接相關(guān)的全數(shù)字計(jì)數(shù)， 因而在典型模擬成像器件中所觀察到的光接收器件之間的靈敏度變化幾乎不存在。也就是說(shuō)，無(wú)需進(jìn)行光接收器件之間的靈敏度調(diào)整。舉例來(lái)說(shuō)，如果根據(jù)本實(shí)施例的成像器件與用于利用少量X射線進(jìn)行透射成像的閃爍器一起使用，則可以低的曝光度執(zhí)行高精度且高分辨率的成像，并且系統(tǒng)的成本非常低。在下文中，將詳細(xì)說(shuō)明具有上述特征的作為根據(jù)本實(shí)施例的成像器件的CMOS圖像傳感器。2.第一實(shí)施例圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)的配置示例的圖?？傮w配置的概述CMOS圖像傳感器100包括像素陣列部110、感測(cè)電路部120、輸出信號(hào)線路群組
130、傳輸線路群組140以及判斷結(jié)果積分電路部150。在CMOS圖像傳感器100中，如下文所述，多個(gè)像素共享一個(gè)感測(cè)電路。與此相對(duì)應(yīng)，CMOS圖像傳感器100包括像素區(qū)塊160_0至160-3...，像素區(qū)塊 160-0至160-3...中的每一像素區(qū)塊均包括位于同一列上的多個(gè)像素DPX以及包括選擇電路。另外，CMOS圖像傳感器100包括行控制線路群組180以及行驅(qū)動(dòng)電路170，行驅(qū)動(dòng)電路170用于驅(qū)動(dòng)像素陣列部110的像素DPX，以將像素DPX的電信號(hào)輸出至輸出信號(hào)線路
131。在像素陣列部110中，多個(gè)數(shù)字像素DPX在行方向及列方向上被排列成矩陣。每一數(shù)字像素DPX均具有光電轉(zhuǎn)換器件，并具有用于在光子入射時(shí)輸出電信號(hào)的功能。此外，如上所述，像素區(qū)塊160-0至160-3...中的每一像素區(qū)塊均是由選擇電路以及同一列上的所述多個(gè)像素DPX形成。CMOS圖像傳感器100具有電路區(qū)塊200，電路區(qū)塊200例如通過(guò)判斷在固定周期中經(jīng)由輸出信號(hào)線路131所傳送的電信號(hào)的二元值、針對(duì)每一像素對(duì)判斷結(jié)果進(jìn)行多次積分并將多個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果相加，來(lái)產(chǎn)生具有等級(jí)的二維成像數(shù)據(jù)。CMOS圖像傳感器100針對(duì)多個(gè)像素(在本實(shí)施例中，針對(duì)以像素區(qū)塊160-0至 160-3...為單位的多個(gè)像素)對(duì)所獲得的判斷結(jié)果進(jìn)行多次積分，從而得出入射到像素陣列部110(其為光接收部)上的光子數(shù)量。CMOS圖像傳感器100具有通過(guò)將多個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果相加而擴(kuò)大光子計(jì)數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍的功能。像素陣列部110、感測(cè)電路部120以及判斷結(jié)果積分電路部150設(shè)置于電路區(qū)塊 200 中。在感測(cè)電路部120中，感測(cè)電路121-0、121-1、121-2、121-3...分別對(duì)應(yīng)于像素陣列部Iio的像素區(qū)塊160-0至160-3. · ·進(jìn)行排列。感測(cè)電路121-0的輸入端連接至輸出信號(hào)線路131-0，形成像素區(qū)塊160_0的所有像素DPX-00、DPX-10...以及DPX-pO的輸出端均共同地連接至輸出信號(hào)線路131-0。也就是說(shuō)，所述多個(gè)像素DPX-OO至DPX-pO共享所述一個(gè)感測(cè)電路121_0。另外，將每一像素區(qū)塊160(160-0至160-3)中的像素?cái)?shù)目設(shè)定為例如128。在此種情形中，P為ο至127，并且像素區(qū)塊160-0包括像素DPX-OO至DPX1270。感測(cè)電路121-1的輸入端連接至輸出信號(hào)線路131-1，形成像素區(qū)塊160-1的所有像素DPX-01、DPX-11...以及DPX-pl的輸出端均共同地連接至輸出信號(hào)線路131-1。也就是說(shuō)，所述多個(gè)像素DPX-Ol至DPX-pl共享所述一個(gè)感測(cè)電路121_1。像素區(qū)塊160-1包括例如128個(gè)像素DPX-01至DPX1271。感測(cè)電路121-2的輸入端連接至輸出信號(hào)線路131-2，形成像素區(qū)塊160_2的所有像素DPX-02、DPX-12...以及DPX_p2的輸出端均共同地連接至輸出信號(hào)線路131-2。也就是說(shuō)，所述多個(gè)像素DPX-02至DPX-P2共享所述一個(gè)感測(cè)電路121_2。像素區(qū)塊160-2包括例如1 個(gè)像素DPX-02至DPX1272。感測(cè)電路121-3的輸入端連接至輸出信號(hào)線路131-3，形成像素區(qū)塊160_3的所有像素DPX-03、DPX-13...以及DPX_p3的輸出端均共同地連接至輸出信號(hào)線路131-3。也就是說(shuō)，所述多個(gè)像素DPX-03至DPX-p3共享所述一個(gè)感測(cè)電路121_3。像素區(qū)塊160-3包括例如1 個(gè)像素DPX-03至DPX1273。在感測(cè)電路部120中，對(duì)于其他像素區(qū)塊(圖未示出)，感測(cè)電路也被排列成供多個(gè)像素共享。判斷結(jié)果積分電路部150具有如下功能例如通過(guò)針對(duì)每一像素對(duì)感測(cè)電路 121-0至121-3的判斷結(jié)果進(jìn)行多次積分并將所述多個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果相加，來(lái)產(chǎn)生具有等級(jí)的二維成像數(shù)據(jù)。判斷結(jié)果積分電路部150具有如下功能針對(duì)多個(gè)像素(在本實(shí)施例中，針對(duì)以像素區(qū)塊160-0至160-3...為單位的多個(gè)像素)對(duì)所獲得的判斷結(jié)果進(jìn)行多次積分，從而得出入射到像素陣列部110(其為光接收部)上的光子數(shù)量。判斷結(jié)果積分電路部150具有寄存器151-0至151-3、選擇電路152、計(jì)數(shù)電路153 以及存儲(chǔ)器154。寄存器151-0至151-3用于保持對(duì)應(yīng)感測(cè)電路121-0至121-3的判斷值，這些判斷值是經(jīng)由傳輸線路141-0至141-3進(jìn)行傳送。選擇電路152依序?qū)拇嫫?51-0至151_3的輸出進(jìn)行選擇，以將保持于相應(yīng)寄存器151-0至151-3中的判斷值提供至計(jì)數(shù)電路153。計(jì)數(shù)電路153對(duì)多個(gè)像素(在該示例中，為4個(gè)像素)的判斷值執(zhí)行計(jì)數(shù)處理，并將每一像素的計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器154中，這些判斷值是通過(guò)行選擇而被讀取之后由選擇電路152進(jìn)行選擇。然后，計(jì)數(shù)電路153將多個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果相加，并將加法結(jié)果存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器IM 中。將在上一次讀取時(shí)的像素?cái)?shù)據(jù)從存儲(chǔ)器巧4加載到計(jì)數(shù)電路153。在第一實(shí)施例中，判斷結(jié)果積分電路部150包括一個(gè)計(jì)數(shù)電路153，并且所述多個(gè)寄存器151-0至151-3共享計(jì)數(shù)電路153。換句話說(shuō)，根據(jù)第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100使所述多個(gè)感測(cè)電路121-0至 121-3共享計(jì)數(shù)電路153。根據(jù)本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100被配置成具有上述特征配置。也就是說(shuō)，CMOS圖像傳感器100被配置成使多個(gè)像素共享感測(cè)電路以進(jìn)行循環(huán)存取，使得曝光時(shí)間可得到保證并可滿足小的像素。另外，由于多個(gè)感測(cè)電路共享計(jì)數(shù)電路，因而可以最佳電路尺寸及處理速度形成 CMOS圖像傳感器100。CMOS圖像傳感器100具有通過(guò)將多個(gè)像素的計(jì)數(shù)結(jié)果相加而擴(kuò)大光子計(jì)數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍的功能。此處，將參照?qǐng)D2及圖3對(duì)光接收部300的光接收及光子計(jì)數(shù)的基本原理進(jìn)行說(shuō)明，光接收部300是由根據(jù)本實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100的電路區(qū)塊200中的像素陣列部110形成。圖2是顯示本實(shí)施例中的光接收部300的原理圖。圖3是顯示圖2所示光接收部的格網(wǎng)的單元網(wǎng)格上的平均光子入射次數(shù)與平均計(jì)數(shù)數(shù)目之間的關(guān)系的圖。另外，在圖2中，為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，以一維方式表示原來(lái)的二維光接收表面。通過(guò)利用被以相等距離劃分的光接收表面310以及被以相等距離劃分的時(shí)間軸 t (在圖2中以二維方式表示)在光接收部300中形成三維格網(wǎng)MSH，來(lái)執(zhí)行光子計(jì)數(shù)。每一格網(wǎng)MSH均具有二元值。也就是說(shuō)，感測(cè)電路部120判斷是否有一個(gè)或多個(gè)光子入射到每一格網(wǎng)MSH上。在此種情形中，例如，如果存在入射，則無(wú)論入射光子的數(shù)目如何，均判斷為“1”;如果不存在入射，則判斷為“0”。在圖2中，對(duì)應(yīng)于“1”的格網(wǎng)區(qū)塊被以粗框顯示。另外，圖2中的附圖標(biāo)記IVT表示光子入射事件。另外，“1”的總數(shù)目由判斷結(jié)果積分電路部150進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后被存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器 154 中。此處，假設(shè)光子是在波動(dòng)的同時(shí)相對(duì)于時(shí)間軸t適當(dāng)均勻地入射，并且在表面方向上也是適當(dāng)均勻地入射，則總計(jì)數(shù)數(shù)目與實(shí)際的入射光子數(shù)目之間的關(guān)系遵循泊松分布 (Poisson distribution)。圖3是顯示格網(wǎng)的單元網(wǎng)格CL上的平均光子入射次數(shù)與平均計(jì)數(shù)數(shù)目之間的關(guān)系的圖。如圖3所示，在平均入射次數(shù)為0. 1次以下的微弱光區(qū)域中，入射次數(shù)基本等于計(jì)
數(shù)數(shù)目。另外，如果平均入射次數(shù)為0.4次以下，則入射次數(shù)與計(jì)數(shù)數(shù)目之間的關(guān)系為近似線性的關(guān)系。也就是說(shuō)，如果格網(wǎng)MSH的網(wǎng)格的總數(shù)目足夠大于入射光子的數(shù)目，則計(jì)數(shù)值線性地反映入射光子的數(shù)目，因此可實(shí)現(xiàn)非常精確的計(jì)數(shù)。另外，通過(guò)在表面方向上或在時(shí)間軸t上縮小格網(wǎng)間距以增大網(wǎng)格的總數(shù)目，可提高計(jì)數(shù)的精度并同時(shí)擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。也就是說(shuō)，通過(guò)在半導(dǎo)體制造中使用高速電路技術(shù)及小型化技術(shù)，可在光接收部 300中提高光子測(cè)量的精度并顯著擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。另外，當(dāng)表面方向上的光入射在很大程度上被局部偏置并且入射光的光量相對(duì)大時(shí)，以下配置是有效的。通過(guò)將表面方向格網(wǎng)劃分成多個(gè)由一個(gè)以上網(wǎng)格區(qū)塊形成的群組、針對(duì)每一群組來(lái)計(jì)算網(wǎng)格CL的平均計(jì)數(shù)數(shù)目、并且根據(jù)泊松分布執(zhí)行校正，可提高測(cè)量精度。作為另外一種選擇，通過(guò)在光接收表面310之前設(shè)置光學(xué)低通濾波器，還可有效地減輕入射光子在表面方向上的偏離。此外，在使用閃爍器進(jìn)行X射線檢測(cè)的情形中，由于當(dāng)X射線入射時(shí)，光是從閃爍器發(fā)出并同時(shí)發(fā)生散射，因而閃爍器本身即用作光學(xué)低通濾波器。與數(shù)字像素相關(guān)的功能此處，將對(duì)數(shù)字像素DPX的配置的示例進(jìn)行說(shuō)明。如上所述，數(shù)字像素(在下文中將被簡(jiǎn)稱為像素)DPX具有光電轉(zhuǎn)換器件，并在光子入射時(shí)輸出電信號(hào)。由于作為成像器件的CMOS圖像傳感器100具有用于像素DPX的復(fù)位功能及讀取功能，因而可在任意時(shí)刻執(zhí)行復(fù)位及讀取。復(fù)位是指將像素DPX復(fù)位至不存在光子入射的狀態(tài)。優(yōu)選地，每一像素DPX均在光接收表面上包括透鏡，或必要時(shí)還可在光接收表面上包括濾色器。盡管像素的此種基本功能接近于普通像素的基本功能，然而對(duì)于輸出而言不需要作為模擬值形式的精度或線性度。此處，將對(duì)數(shù)字像素的配置的示例進(jìn)行說(shuō)明。圖4是顯示本實(shí)施例中像素的電路配置的示例的圖。圖4顯示像素電路的示例，此像素電路在一個(gè)單元像素DPX中包括三個(gè)晶體管。所述一個(gè)單元像素DPX包括光電二極管111、傳輸晶體管112、復(fù)位晶體管113、放大晶體管114、累積節(jié)點(diǎn)115以及浮動(dòng)擴(kuò)散(floatingdiffusion, FD)節(jié)點(diǎn)116。傳輸晶體管112的柵電極連接至用作行控制線路的傳輸線路181，并且復(fù)位晶體管113的柵電極連接至用作行控制線路的復(fù)位線路182。放大晶體管114的柵電極連接至FD節(jié)點(diǎn)116，并且放大晶體管114的源電極連接至輸出信號(hào)線路131。在像素DPX中，入射到像素的硅基板上的光產(chǎn)生電子與空穴對(duì)，并且光電二極管111將電子累積到累積節(jié)點(diǎn)115處。通過(guò)以預(yù)定時(shí)序接通傳輸晶體管112來(lái)將這些電子傳送至FD節(jié)點(diǎn)116，從而驅(qū)動(dòng)放大晶體管114的柵極。因此，將信號(hào)電荷作為信號(hào)讀取至輸出信號(hào)線路131。輸出信號(hào)線路131可經(jīng)由恒流源或電阻性裝置而接地以實(shí)現(xiàn)源極跟隨器 (source-follower)操作，或者可在讀取之前接地并接著具有浮動(dòng)狀態(tài)，以便輸出基于放大晶體管114的電荷電平。復(fù)位晶體管113通過(guò)在與傳輸晶體管112被同時(shí)接通時(shí)抽取累積于光電二極管 111中的電子，來(lái)將像素復(fù)位至累積之前的暗態(tài)(dark state)(即不存在光子入射的狀態(tài))。像素的此種電路或操作機(jī)制與模擬像素的電路或操作機(jī)制相同，并且可與模擬像素類似地作出各種變化。然而，數(shù)字像素是以數(shù)字方式輸出一個(gè)光子的入射，而模擬像素則以模擬方式輸出多個(gè)光子的總?cè)肷淞?。因此，?shù)字像素與模擬像素具有不同的設(shè)計(jì)。首先，在為數(shù)字像素的情形中，需要對(duì)于一個(gè)光子的入射產(chǎn)生足夠大的電信號(hào)。例如，在圖4所示的具有放大晶體管的像素電路中，優(yōu)選將FD節(jié)點(diǎn)116的寄生電容設(shè)定成盡可能小，F(xiàn)D節(jié)點(diǎn)116是形成源極跟隨器的放大晶體管114的輸入節(jié)點(diǎn)。在此種情形中，也優(yōu)選將關(guān)于一個(gè)光子的入射的輸出信號(hào)的幅值保持為充分大于放大晶體管114的隨機(jī)噪聲的幅值。另一方面，不同于模擬像素，由于無(wú)需考慮來(lái)自像素的輸出信號(hào)中的線性度、精度或操作范圍，因而例如可對(duì)源極跟隨器的輸入/輸出(I/O)電源使用與用于數(shù)字電路的低電壓相同的低電壓。此外，優(yōu)選將光電二極管的累積電荷容量設(shè)定成盡可能小。接著，將對(duì)根據(jù)第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100的整體操作進(jìn)行概述。如上所述，像素區(qū)塊160(160-0至160-3...)包括128個(gè)數(shù)字像素DPX以及包括選擇電路。選擇電路選擇這些像素中的一者來(lái)執(zhí)行復(fù)位或讀取。在該示例中，根據(jù)由行驅(qū)動(dòng)電路170所驅(qū)動(dòng)的行控制線路181及182，來(lái)選擇像素區(qū)塊160中的一個(gè)像素。在進(jìn)行讀取時(shí)，將是否有光子入射到所選像素上作為電信號(hào)輸出至輸出信號(hào)線路 131 (131-0至131-3...),并且由感測(cè)電路121 (121-0至121-3...)判斷二元值。舉例來(lái)說(shuō)，感測(cè)電路121(121-0至121_3...)在光入射到所選像素上時(shí)將“ 1 ”判斷為判斷值，而在光未入射到所選像素上時(shí)將“0”判斷為判斷值，并鎖存該判斷值。首先將感測(cè)電路121 (121-0至121_3...)的判斷值傳送至寄存器151 (151-0至 151-3)。所述四個(gè)像素區(qū)塊160-0至160-3共享計(jì)數(shù)電路153，并且通過(guò)選擇電路152而依序?qū)νㄟ^(guò)行選擇所讀取的四個(gè)像素執(zhí)行計(jì)數(shù)處理。另外，將每一像素的計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器154中。也就是說(shuō)，首先將上一次讀取時(shí)的像素?cái)?shù)據(jù)從存儲(chǔ)器巧4加載至計(jì)數(shù)電路153。在此種情形中，計(jì)數(shù)電路153在“1”存儲(chǔ)于寄存器151 (151-0至151-3)中時(shí)將計(jì)數(shù)值增加“1”，而在“0”存儲(chǔ)于寄存器151(151-0至151-3)中時(shí)則不對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行更新。然后，將計(jì)數(shù)電路153的值返回至存儲(chǔ)器154，于是完成對(duì)一個(gè)像素的計(jì)數(shù)處理。 依序?qū)λ膫€(gè)像素執(zhí)行該處理。在執(zhí)行此種計(jì)數(shù)處理的同時(shí)，像素區(qū)塊160 (160-0至160- 與感測(cè)電路 121 (121-0至121-3)可并行地執(zhí)行對(duì)下一行的讀取及判斷。例如，在一個(gè)幀周期中執(zhí)行1023次此種數(shù)字讀取，以為每一像素形成10位的灰度數(shù)據(jù)。在此種情形中，計(jì)數(shù)電路153為10位；并且由于“U8X4”個(gè)像素中的每一像素均具有10位的數(shù)據(jù)，因而存儲(chǔ)器巧4為5120位。也就是說(shuō)，CMOS圖像傳感器100作為以唯一的配置進(jìn)行排列的光子計(jì)數(shù)器來(lái)運(yùn)行。附帶而言，計(jì)數(shù)電路153或存儲(chǔ)器154的大小因應(yīng)用而異。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)形成“4個(gè)像素寬X 4個(gè)像素長(zhǎng)”的成像單元時(shí)，每一成像單元中所包含的各像素的數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器154的同一地址中。然后，通過(guò)存儲(chǔ)器將入射到這16個(gè)像素上的光子的計(jì)數(shù)值加到計(jì)數(shù)電路153中。在此種情形中，總計(jì)數(shù)數(shù)目變?yōu)?6次，并且14位是計(jì)數(shù)電路153所需的。另一方面，將存儲(chǔ)器IM中的地址數(shù)目設(shè)定為32/(1/16)，并且每一地址均存儲(chǔ)14 位的值。因此，所需容量為448位。作為另外一種選擇，當(dāng)僅對(duì)整個(gè)光接收表面上的總光子入射數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，由于數(shù)據(jù)被保持于計(jì)數(shù)電路153中，因而無(wú)需提供存儲(chǔ)器。在此種情形中，與512個(gè)像素的10位計(jì)數(shù)相對(duì)應(yīng)的19位是計(jì)數(shù)器中的位數(shù)所必需的。作為另外一種選擇，當(dāng)根據(jù)應(yīng)用而將功能從所有像素的二維成像變成總計(jì)時(shí)，為計(jì)數(shù)電路153設(shè)定14個(gè)位并且為“U8X4”個(gè)像素準(zhǔn)備14位的存儲(chǔ)器154。另外，對(duì)電路區(qū)塊200的電平進(jìn)行設(shè)定以滿足“4X4”加法。對(duì)于所有像素的加法，優(yōu)選地首先由電路區(qū)塊200執(zhí)行“4X4”加法、在輸出電路中準(zhǔn)備單獨(dú)的加法器、并通過(guò)將來(lái)自存儲(chǔ)器IM的多個(gè)輸出值相加來(lái)計(jì)算總數(shù)。在此種情形中，由于輸出單元的加法器的處理能力是在不存在預(yù)先加法的情形中的1/16，因而不需要進(jìn)行高速處理。接著，將對(duì)第一實(shí)施例中的像素區(qū)塊的循環(huán)存取進(jìn)行說(shuō)明。圖5是用于解釋第一實(shí)施例中的像素區(qū)塊的循環(huán)存取的圖。此處，為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，顯示其中像素區(qū)塊是由16個(gè)像素形成并且共享一個(gè)感測(cè)電路的示例。每一像素區(qū)塊160(160-0至160-3...)中所包含的16個(gè)像素是以循環(huán)方式依序存取。假設(shè)幀速率為1/30秒并且在該時(shí)間中對(duì)每一像素執(zhí)行1023次讀取，則區(qū)塊處理的一個(gè)周期為大約32微秒。在該時(shí)間中需要完成對(duì)16個(gè)像素的讀取。圖5中橫軸上的時(shí)間分割是被分配用于存取區(qū)塊中的每一像素的時(shí)間t，并且最大寬度為2微秒。
另外，當(dāng)像素區(qū)塊160(160-0至160-3. · ·)如在圖1所示的示例中一樣包括128 個(gè)像素時(shí)，每一像素的存取時(shí)間為250納秒。由于從每一像素進(jìn)行的數(shù)據(jù)讀取以及數(shù)據(jù)判斷均是與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的讀取相似的簡(jiǎn)單操作，因而在該時(shí)間寬度中存在足夠的余量。在上述循環(huán)存取中，循環(huán)地執(zhí)行每一像素DPX的復(fù)位RST及讀取RD。在此種情形中，存取時(shí)序因每一像素而異，但從復(fù)位RST至讀取RD的用于實(shí)際曝光EXP的時(shí)間對(duì)于所有像素是相等的。由于可通過(guò)在循環(huán)范圍內(nèi)改變復(fù)位RST的時(shí)序來(lái)改變曝光時(shí)間，因而可調(diào)整靈敏度而不會(huì)對(duì)其他電路操作造成影響。例如，如果在每一像素DPX中在上一次讀取RD之后立即對(duì)復(fù)位RST進(jìn)行設(shè)定(與讀取為相同的時(shí)間分割)，則曝光時(shí)間變?yōu)樽畲蟛⑶疫@對(duì)應(yīng)于低照明度物體成像。相反，如果在對(duì)復(fù)位RST進(jìn)行設(shè)定之后立即進(jìn)行讀取RD (為一次讀取之前的時(shí)間分割)，則曝光時(shí)間變?yōu)樽疃滩⑶疫@對(duì)應(yīng)于高照明度物體成像。另外，如果在相同的時(shí)間分割中通過(guò)若干步驟改變復(fù)位時(shí)序，則可更自由地選擇曝光時(shí)間。盡管計(jì)數(shù)處理CNT是在讀取RD之后相繼地執(zhí)行，但下一像素的讀取是并行起動(dòng)的。此處，例如，第4號(hào)像素在t4時(shí)刻被讀取，并且第1號(hào)像素被復(fù)位。此外，與此并行地執(zhí)行第3號(hào)像素的計(jì)數(shù)處理。在該示例中，第4號(hào)像素的讀取與第1號(hào)像素的復(fù)位是以時(shí)間分割方式順次地執(zhí)行。然而，在每一像素中均具有單獨(dú)的復(fù)位機(jī)制的圖4所示像素的情形中，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)行控制線路來(lái)同時(shí)且并行地執(zhí)行第4號(hào)像素的讀取與第1號(hào)像素的復(fù)位。如上所述，根據(jù)第一實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100具有分級(jí)式結(jié)構(gòu)，在該分級(jí)式結(jié)構(gòu)中所述多個(gè)像素DPX共享感測(cè)電路121 (121-0至121-3)及寄存器151 (151-0至 151-3)，并且所述多個(gè)感測(cè)電路121 (121-0至121-3)共享計(jì)數(shù)電路153。可根據(jù)存取時(shí)間與每一電路的占用面積之間的關(guān)系，來(lái)優(yōu)化每一共享率(sharing rate)0另外，可在水平方向(列排列方向)上排列多個(gè)圖1所示具有四個(gè)像素區(qū)塊的電路區(qū)塊200。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)并列排列32個(gè)電路區(qū)塊200并使這些電路區(qū)塊并行地操作，可形成包括“U8X 128”個(gè)像素的光接收器件。在下文中，對(duì)此光接收器件的性能進(jìn)行評(píng)估。假設(shè)以30幀/每秒的速度執(zhí)行每一像素10位的成像。當(dāng)將所有像素的計(jì)數(shù)次數(shù)相加并將結(jié)果用于單一光子計(jì)數(shù)器中時(shí)，計(jì)算出每秒的總光子計(jì)數(shù)總數(shù)的最大值為“ 1 X 128 X 1023 X 30”，達(dá)到5億。即使僅使用泊松分布的線性區(qū)域，最大值也為2億。如果進(jìn)行校正，則計(jì)數(shù)也有可能會(huì)超過(guò)上述值。此外，如上所述，此光接收器件可根據(jù)其應(yīng)用而用于二維成像，且還可用作用于光子計(jì)數(shù)的單一光接收器件。通過(guò)外部改寫內(nèi)部寄存器值，可容易地改變操作模式。在同一方法中，通過(guò)改變復(fù)位時(shí)序來(lái)改變曝光時(shí)間也是可編程的。
此外，如上所述，本實(shí)施例中所用的數(shù)字像素具有光電轉(zhuǎn)換器件，并具有用于根據(jù)光子入射來(lái)輸出電信號(hào)的功能。例如，本實(shí)施例中所用的數(shù)字像素被配置成如圖4所示。此外，為在讀取從數(shù)字像素所讀取的數(shù)據(jù)時(shí)抵消像素中的輸出變化，期望在進(jìn)行感測(cè)時(shí)引入以下自參考功能。也就是說(shuō)，從像素讀取復(fù)位狀態(tài)中的輸出以及曝光后的信號(hào)輸出，并且感測(cè)電路對(duì)這兩者中的任一者加上偏移值并將通過(guò)加上偏移值而獲得的信號(hào)與這兩者的另一信號(hào)相比較，從而執(zhí)行二元判斷。圖6是顯示具有自參考功能的感測(cè)電路的示例的電路圖。圖6所示的感測(cè)電路121A包括開(kāi)關(guān)SW12USW122及SW123、電容器C121及C122、 反相器IV121及IV122、以及偏移信號(hào)OFFSET的供應(yīng)線路L121。開(kāi)關(guān)SW121的端子a連接至電容器C121的第一端子以及電容器C122的第一端子， 并且開(kāi)關(guān)SW121的端子b連接至端子SIG，端子SIG連接至輸出信號(hào)線路。電容器C121的第二端子連接至反相器IV121的輸入端子、開(kāi)關(guān)SW122的端子a以及開(kāi)關(guān)SW123的端子a。電容器C122的第二端子連接至偏移信號(hào)OFFSET的供應(yīng)線路L121。反相器IV121的輸出端子連接至反相器IV122的輸入端子以及開(kāi)關(guān)SW122的端子 b。反相器IV122的輸出端子連接至開(kāi)關(guān)SW123的端子b以及輸出端子SA0UT。此處，將對(duì)在圖4所示像素的示例中使用圖6所示具有自參考功能的感測(cè)電路而執(zhí)行的讀取操作的示例進(jìn)行說(shuō)明。圖7A至圖7F是用于解釋讀取操作的示例的時(shí)序圖，該讀取操作是在圖4所示像素的示例中使用圖6所示具有自參考功能的感測(cè)電路執(zhí)行的。圖7A顯示施加至圖4所示復(fù)位線路182的復(fù)位脈沖RESET，圖7B顯示施加至圖4 所示傳輸線路181的讀取脈沖READ。圖7C顯示開(kāi)關(guān)SW121的接通/斷開(kāi)(0N/0FF)狀態(tài)，圖7D顯示開(kāi)關(guān)SW122的接通 /斷開(kāi)狀態(tài)，圖7E顯示開(kāi)關(guān)SW123的接通/斷開(kāi)狀態(tài)，并且圖7F顯示偏移信號(hào)OFFSET。首先，接通開(kāi)關(guān)SW121及SW122以將復(fù)位脈沖RESET施加至像素DPX的復(fù)位線路 182，從而使復(fù)位狀態(tài)中的像素輸出被讀取至輸入端子SIG。然后，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)SW122，以保持復(fù)位輸出。接著，將脈沖READ施加至像素DPX的傳輸線路181，并且將作為曝光結(jié)果的信號(hào)輸出輸入至端子SIG，以斷開(kāi)開(kāi)關(guān)SW121。在該時(shí)間段中，將偏移信號(hào)OFFSET輸入保持在0V。然后，略微增大偏移信號(hào)OFFSET的電平，以通過(guò)電容器C122將偏移電位加到讀取
信號(hào)上。接著，將復(fù)位狀態(tài)中的輸出與通過(guò)將小的偏移值加到讀取信號(hào)上而獲得的輸出相比較。當(dāng)光子入射到圖4所示的像素上時(shí)，后一信號(hào)具有比前一信號(hào)低的電位。因此，將 “0”輸出至輸出端子SAOUT。當(dāng)光子未入射到像素上時(shí)，以與在光子入射到像素上時(shí)的方式相反的方式將“1”輸出至輸出端子SAOUT。最后，接通開(kāi)關(guān)SW123，以鎖存判斷結(jié)果。此自參考功能抵消了每一像素中由于放大晶體管114的閾值變化而出現(xiàn)的固定噪聲，使得對(duì)小的信號(hào)執(zhí)行精確的二元判斷也成為可能。另外，在上述順序中，也能抵消在復(fù)位時(shí)出現(xiàn)的kTC噪聲。另外，在進(jìn)行模擬信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)，在相關(guān)雙采樣(correlateddouble sampling,⑶S)中也可預(yù)期出現(xiàn)類似的效應(yīng)。在此種情形中，在用于二元判斷的感測(cè)中，雙重讀取及判斷所需的時(shí)間一直是固定的。因此，還可按下述方式降低來(lái)自像素的放大晶體管的或感測(cè)電路本身的熱噪聲或閃爍噪聲(flicker noise)的影響。也就是說(shuō)，由于在兩次讀取中低頻帶中的噪聲常常會(huì)以類似的方式疊加，因而影響可被抵消。另外，高頻帶中的噪聲可限制感測(cè)電路的電容性負(fù)載的靈敏度。因此，通過(guò)在可正確執(zhí)行感測(cè)的范圍內(nèi)將電容性負(fù)載設(shè)定為盡可能大，可將有影響的噪聲的帶寬縮小至最小。在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時(shí)的相關(guān)雙采樣中，進(jìn)行轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間在許多情形中會(huì)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度或位數(shù)而改變。因此，寬帶中的噪聲必然會(huì)影響電路。不受上述示例的限制，所述電路可將通過(guò)將偏移值加到復(fù)位信號(hào)上而獲得的信號(hào)與讀取信號(hào)相比較，從而執(zhí)行判斷。作為另外一種選擇，也可首先獲取讀取信號(hào)，然后對(duì)像素進(jìn)行復(fù)位以獲取復(fù)位信號(hào)，并對(duì)這兩個(gè)信號(hào)中的任一者加上偏移值，以進(jìn)行比較判斷。在此種情形中，難以對(duì)kTC 噪聲進(jìn)行抵消，但可對(duì)像素變化所造成的固定噪聲進(jìn)行抵消。因此，優(yōu)點(diǎn)在于，這可普遍應(yīng)用于所有像素配置。即使應(yīng)用此自參考功能，感測(cè)電路的數(shù)目也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通AD轉(zhuǎn)換器中的數(shù)目。因此，不需要占用大的面積。此外，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字像素，使用內(nèi)部放大型光電二極管也是良好的選擇。已知雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)為內(nèi)部放大型光電二極管，其通過(guò)由電場(chǎng)使經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換的電子空穴對(duì)加速來(lái)產(chǎn)生雪崩放大。相關(guān)技術(shù)中的使用APD的光子計(jì)數(shù)器僅執(zhí)行像素信號(hào)的模擬放大、執(zhí)行脈沖輸出并通過(guò)外部電路檢測(cè)該脈沖輸出。在此種情形中，使用蓋革模式(Geiger mode)執(zhí)行約100 萬(wàn)倍的放大來(lái)檢測(cè)單一光子。因此，需要40V的高壓，并且也不提供檢測(cè)電路。因此，難以實(shí)現(xiàn)像素的小型化或高速并行操作。另一方面，應(yīng)用于本實(shí)施例的數(shù)字像素不需要蓋革模式操作。由于在使用簡(jiǎn)單的電路配置的芯片中進(jìn)行時(shí)間分割二元檢測(cè)可顯著地降低檢測(cè)電路噪聲及信號(hào)負(fù)載，因而可在線性模式中以小的增益對(duì)單一光子進(jìn)行檢測(cè)。并且，在此種情形中，可使用圖4所示的像素電路，但如果例如獲得1000倍的放大，則無(wú)需提供像素的放大晶體管。3.第二實(shí)施例接著，將對(duì)其中內(nèi)部放大型二極管應(yīng)用于光接收器件的配置的示例予以說(shuō)明來(lái)作為第二實(shí)施例。
圖8是用于解釋本發(fā)明的第二實(shí)施例的圖，并且也是顯示與第一實(shí)施例相對(duì)應(yīng)的使用內(nèi)部放大型光電二極管的像素區(qū)塊的配置示例的圖。在第二實(shí)施例中，像素區(qū)塊160B僅包括一組內(nèi)部放大型光電二極管IllB以及對(duì)應(yīng)于內(nèi)部放大型光電二極管IllB的傳輸(選擇)晶體管112B。也就是說(shuō)，該示例中的像素DPXB是僅由內(nèi)部放大型光電二極管IllB以及對(duì)應(yīng)于內(nèi)部放大型光電二極管IllB的傳輸(選擇)晶體管112B形成。同一行上的每一像素DPXB 的傳輸晶體管112B的柵電極連接至共用傳輸線路181B。另外，每一像素區(qū)塊160B的多個(gè)像素的傳輸晶體管112B的源極或漏極連接至共用輸出信號(hào)線路131。另外，復(fù)位晶體管11 連接于各輸出信號(hào)線路131與復(fù)位電位線路LVRST之間。 每一復(fù)位晶體管113B的柵電極均連接至共用復(fù)位線路182B。在該示例中，每一像素DPXB均通過(guò)復(fù)位晶體管131B、輸出信號(hào)線路131以及傳輸晶體管112B進(jìn)行復(fù)位。4.第三實(shí)施例接著，將對(duì)使用根據(jù)第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的成像器件的多個(gè)光接收器件(光接收單元及電路區(qū)塊)的成像裝置配置的示例予以說(shuō)明來(lái)作為第三實(shí)施例。在以一般CXD型或CMOS傳感器型成像器件為代表的半導(dǎo)體成像裝置中，CXD輸出單元的放大器電路中或連接至CMOS傳感器的各個(gè)像素的源極跟隨器電路中存在特性變化。此外，在一般的半導(dǎo)體成像裝置中，該特性變化被原原本本地反映為由所累積電子的數(shù)目轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的效率的變化上。另外，由于AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換變化也被直接反映在信號(hào)變化上，因而相應(yīng)芯片的有效靈敏度的變化非常大。因此，當(dāng)通過(guò)在普通半導(dǎo)體成像裝置中對(duì)所述多個(gè)成像器件進(jìn)行排列來(lái)執(zhí)行大面積成像時(shí)，需要通過(guò)調(diào)整每一芯片的增益來(lái)使靈敏度均勻。另一方面，由于應(yīng)用時(shí)間分割光子計(jì)數(shù)的本發(fā)明實(shí)施例的成像器件(光接收器件)基本上不對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，因而相應(yīng)芯片中的靈敏度變化非常小。因此，通過(guò)將這些成像器件排列成一維直線形狀或二維陣列，可形成大的成像表舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)將閃爍器設(shè)置于光接收器件前面，可使用此成像裝置在醫(yī)療或安全應(yīng)用中進(jìn)行輻射成像。另外，由于靈敏度高且噪聲量小，因而成像裝置可正確地檢測(cè)極少
量的輻射。因此，例如在醫(yī)療成像中，通過(guò)限制輻射的量，可顯著減少待成像物體所受的曝光量。圖9A及圖9B是當(dāng)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件應(yīng)用于計(jì)算機(jī)斷層檢查(Computer Tomography, CT)成像時(shí)的成像裝置的原理圖。以圓柱形狀環(huán)繞物體OBJ的成像裝置400包括X射線源410以及數(shù)千個(gè)成像器件 420，成像器件420被以陣列形式設(shè)置成面對(duì)X射線源410并且使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光子計(jì)數(shù)器。陣列表面沿圓柱體的內(nèi)壁而彎曲，使得各成像器件面對(duì)X射線源410且各成像器件與X射線源410之間具有相等的距離。在每一成像器件420中，閃爍器422在本發(fā)明的實(shí)施例中附接至光子計(jì)數(shù)器421 的光接收表面421a側(cè)，并且準(zhǔn)直儀(collimator) 423設(shè)置于X射線的入射側(cè)。從X射線源410透射穿過(guò)物體OBJ并接著透射穿過(guò)準(zhǔn)直儀423的X射線被閃爍器 422轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光并被光子計(jì)數(shù)器421檢測(cè)到，從而得出輻射量。成像裝置400圍繞物體OBJ轉(zhuǎn)動(dòng)，從而以所有角度對(duì)物體OBJ進(jìn)行成像；并且對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)執(zhí)行運(yùn)算處理，以產(chǎn)生物體OBJ的橫截面透射影像。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件的光子計(jì)數(shù)器具有非常高的動(dòng)態(tài)范圍以及高靈敏度的讀取，且不具有噪聲。另外，由于成像器件在內(nèi)部包括計(jì)數(shù)電路，因而甚至也可以高的位分辨率來(lái)執(zhí)行高速成像。因此，即使顯著減少X射線的量，也可實(shí)現(xiàn)精確的成像，并且該系統(tǒng)并不昂貴。作為類似成像系統(tǒng)的示例，存在用于醫(yī)療應(yīng)用的SPECT。SPECT使用閃爍器來(lái)檢測(cè)Y射線，但使用光電倍增管來(lái)檢測(cè)極少量的Y射線。如果使用本發(fā)明實(shí)施例中的光子計(jì)數(shù)器，則會(huì)顯著降低檢測(cè)器的成本，并且也不需要使用外部檢測(cè)電路。因此，由于檢測(cè)器的數(shù)目可被增大數(shù)十倍，因而可顯著地提高靈敏度。圖10是顯示線性成像裝置的示例的圖，在該線性成像裝置中，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件(光接收器件)被排列成一維直線形狀。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件(光接收器件)510以直線形式交替地排列在線性成像器件500中。通過(guò)在箭頭A的方向上移動(dòng)線性成像器件500，可在成像器件(光接收器件)510 的有效像素區(qū)域520中對(duì)寬的成像表面進(jìn)行均勻掃描。為進(jìn)行掃描，優(yōu)選在有效像素區(qū)域520的縱向方向(行方向)上以一定間距進(jìn)行逐步移動(dòng)，或者可移動(dòng)物體?？赏ㄟ^(guò)使某些像素彼此重疊來(lái)對(duì)有效像素區(qū)域之間的連接部分進(jìn)行平均處理。例如，每一成像器件(光接收器件)510的有效像素區(qū)域520均具有如下配置，其中將圖1所示像素陣列部的1 個(gè)區(qū)塊排列于水平方向(列方向)上。也就是說(shuō)，每一成像器件(光接收器件)510的有效像素區(qū)域520均由“512X128”個(gè)物理像素形成。此處，假設(shè)“8X8”個(gè)物理像素的計(jì)數(shù)值的加法結(jié)果為像素單位(邏輯像素)，則邏輯像素的數(shù)目為64X16個(gè)。當(dāng)每一物理像素均具有10位的分辨率時(shí)，每一邏輯像素的分辨率為16位。如果這64個(gè)成像器件(光接收器件)510如圖10所示被以直線形式排列，則線性成像器件500中排列有總共4096個(gè)16位的邏輯像素。此線性成像裝置可容易地實(shí)現(xiàn)小型成像。因此，用于醫(yī)療或安全應(yīng)用的X射線成像可通過(guò)與閃爍器相組合而具有高的精度以及非常高的靈敏度(低噪聲)。由于可減少X射線的絕對(duì)量，因而甚至在進(jìn)行線成像(line imaging)時(shí)也可抑制曝光量。另外，該系統(tǒng)并不昂貴。另外，可將多個(gè)此種線性成像裝置以相等距離排列在掃描方向上，以縮短掃描距離。在此種情形中，可進(jìn)一步降低曝光量。此外，為防止透射穿過(guò)閃爍器的X射線損壞成像器件，例如可將成像器件420放置于遠(yuǎn)離閃爍器422的位置并使用如圖11所示的光纖4M將閃爍器的發(fā)射光線傳送至成像器件420。在圖11所示的示例中，用于阻擋X射線的X射線屏蔽板425設(shè)置于成像器件420 的光子計(jì)數(shù)器421的光接收表面421a與閃爍器422的光接收單元之間，并且光纖似4被設(shè)置成繞過(guò)X射線屏蔽板425。另一方面，為在醫(yī)療或科學(xué)領(lǐng)域中的測(cè)量中進(jìn)行輻射檢測(cè)，可能需要具有輻射的照射角度的信息。此情形中所用的光子計(jì)數(shù)器需要具有高的時(shí)間分辨率，以用于指定檢測(cè)時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，在用于醫(yī)療應(yīng)用的PET中，施與病人的放射性材料產(chǎn)生正電子，并且正電子立即與電子進(jìn)行復(fù)合以激發(fā)一對(duì)Y射線。該對(duì)Y射線在相對(duì)的兩個(gè)方向上進(jìn)行發(fā)射， 并由兩個(gè)檢測(cè)器(閃爍器)同時(shí)且并行地檢測(cè)。以此方式，在連接兩個(gè)檢測(cè)器的直線上估計(jì)放射性材料的存在。一般而言，在PET中，需要以高的時(shí)間分辨率來(lái)執(zhí)行對(duì)同時(shí)檢測(cè)的判斷，以降低檢測(cè)時(shí)的噪聲。圖12是顯示通過(guò)對(duì)光子進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)而對(duì)輻射入射方向進(jìn)行估計(jì)的示例的示意圖。圖12顯示SPECT中的簡(jiǎn)單應(yīng)用。由于從物體OBJ所發(fā)出的γ射線中的垂直于閃爍器(檢測(cè)器)422入射的、射線，大量光子群組同時(shí)入射到一個(gè)成像器件420的光子計(jì)數(shù)器421上。另一方面，由于傾斜地入射到閃爍器(檢測(cè)器)422上的Y射線，分布于所述多個(gè)成像器件420中的各光子群組是同時(shí)入射的。因此，利用與同時(shí)檢測(cè)到的光子的分布有關(guān)的信息，可對(duì)Y射線的入射方向進(jìn)行估計(jì)。通常，在SPECT中使用準(zhǔn)直儀來(lái)利用與僅垂直入射的光子有關(guān)的信息。然而，如果檢測(cè)器具有高的時(shí)間分辨率且可容易地使用這些檢測(cè)器，則可更顯著地?cái)U(kuò)大信息量。也就是說(shuō)，為通過(guò)減小此檢測(cè)器中的檢測(cè)誤差以提高檢測(cè)精度，使在對(duì)光子入射的同時(shí)檢測(cè)進(jìn)行判斷時(shí)所用的時(shí)間分辨率較高至關(guān)重要。在下文中，將對(duì)一種與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的用于提高光子計(jì)數(shù)器中的光學(xué)檢測(cè)的時(shí)間分辨率的新技術(shù)以及芯片架構(gòu)予以說(shuō)明來(lái)作為第四實(shí)施例及第五實(shí)施例。5.第四實(shí)施例圖13是顯示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)的配置示例的圖。第四實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)100C與圖1所示根據(jù)第一實(shí)施例的 CMOS圖像傳感器100的不同之處在于，其具有用于提高光學(xué)檢測(cè)的時(shí)間分辨率的功能?；旧?，CMOS圖像傳感器100C被配置成使判斷結(jié)果積分電路部150C具有用于提高光學(xué)檢測(cè)的時(shí)間分辨率的功能。判斷結(jié)果積分電路部150C包括感測(cè)電路部120、第一寄存器部210、第二寄存器部 220,4位總線230以及輸出電路240。第一寄存器部210具有4位寄存器211-0、211-1...，這些4位寄存器211-0、211-1...用于依序傳送與像素陣列部110的像素列排列對(duì)應(yīng)的感測(cè)電路121-0、 121-1...的輸出。第一寄存器部210所具有的配置等效于其中線路緩沖器被排列于四行中的配置， 這些線路緩沖器用于保持并輸出一個(gè)行的讀取數(shù)據(jù)。第二寄存器部220具有4位寄存器221-0、221-1...，這些4位寄存器221-0、 221-1...用于依序傳送第一寄存器部210的4位寄存器211-0、211-1...的輸出。第二寄存器部220所具有的配置等效于其中線路緩沖器被排列于四行中的配置， 這些線路緩沖器用于保持并輸出一個(gè)行的讀取數(shù)據(jù)?？偩€230將第二寄存器部220的輸出數(shù)據(jù)傳送至輸出電路M0。輸出電路240具有計(jì)數(shù)電路Ml以及輸出鎖存器M2。計(jì)數(shù)電路241對(duì)通過(guò)總線 230所傳送的每一行的“ 1，，數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)或相加。并且，在第四實(shí)施例中，像素區(qū)塊160(160-0、160_1...)如在第一實(shí)施例中一樣被配置成包括1 個(gè)數(shù)字像素DPX以及選擇電路。該選擇電路選擇這些像素中的一個(gè)像素來(lái)執(zhí)行復(fù)位或讀取。并且，在第四實(shí)施例中，根據(jù)由行驅(qū)動(dòng)電路170所驅(qū)動(dòng)的行控制線路180來(lái)選擇像素區(qū)塊中的一個(gè)像素。在進(jìn)行讀取時(shí)，將是否有光子入射到所選像素上作為電信號(hào)輸出至輸出信號(hào)線路 131，并且由感測(cè)電路121(121-0、121-1...)判斷二元值。舉例來(lái)說(shuō)，感測(cè)電路121(121-0、121_1...)在光入射到所選像素上時(shí)確定“ 1 ”為判斷值，而在光未入射到所選像素上時(shí)確定“0”為判斷值，并且鎖存該判斷值。然后，將感測(cè)電路121(121-0、121_1...)的判斷值傳送至第一 4位寄存器部的4 位寄存器211(211-0、211-1...)的第一位。因此，便可對(duì)下一行進(jìn)行信號(hào)讀取及判斷。對(duì)四個(gè)行連續(xù)執(zhí)行此操作。當(dāng)各個(gè)行的判斷值被存儲(chǔ)于4位寄存器211 (211-0、 211-1...)的不同位中時(shí)，這些判斷值被同時(shí)傳送至下一級(jí)的第二寄存器部220的4位寄存器 221(221-0、221-1···)。然后，將每一列中的第二寄存器部220的4位寄存器221 (221-0、221_1...)中所保持的數(shù)據(jù)依序輸出至4位總線230，接著傳送至輸出電路M0。計(jì)數(shù)電路Ml設(shè)置于輸出電路240中，以對(duì)每一行的“1”數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)或相加。在四個(gè)行的所有列數(shù)據(jù)項(xiàng)目均被傳送之后，將每一行的加法值存儲(chǔ)到輸出鎖存器242中。另一方面，與上述傳送操作并行地連續(xù)執(zhí)行像素陣列部110的讀取，并將隨后四行的判斷值存儲(chǔ)到第一寄存器部210的4位寄存器211(211-0、211-1...)中。也就是說(shuō)， 數(shù)據(jù)讀取與數(shù)據(jù)向輸出電路MO的傳送是流水線操作(pipelined)。在此芯片中，假設(shè)執(zhí)行一個(gè)行的讀取需要250納秒，則執(zhí)行1 列的數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間為1微秒。由于一個(gè)列的4位傳送為7. 8納秒，因而普通半導(dǎo)體電路中的數(shù)據(jù)傳送時(shí)間是足夠的。外圍電路配置非常簡(jiǎn)單。另外，對(duì)于從外部進(jìn)行的數(shù)據(jù)讀取，優(yōu)選在1微秒內(nèi)獲取存儲(chǔ)于輸出電路240的輸出鎖存器M2中的四個(gè)行的計(jì)數(shù)值。由于該時(shí)間對(duì)于讀取而言非常充分，因而外部系統(tǒng)可從大量成像器件并行地讀取數(shù)據(jù)。外部系統(tǒng)可對(duì)所有行的讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行相加，以獲得在最大32微秒的單位曝光時(shí)間內(nèi)入射到成像器件上的光子的總數(shù)目。通過(guò)將此重復(fù)1025個(gè)循環(huán)并連續(xù)地對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行相加，可在1/30秒內(nèi)獲得對(duì)位灰度數(shù)據(jù)。此處，將參照?qǐng)D14對(duì)使用根據(jù)第四實(shí)施例的成像器件進(jìn)行的光子檢測(cè)的時(shí)間分辨率進(jìn)行說(shuō)明。圖14是用于解釋使用根據(jù)第四實(shí)施例的成像器件進(jìn)行的光子檢測(cè)的時(shí)間分辨率的圖。圖14顯示其中隨著時(shí)間的進(jìn)行而對(duì)每一行依序執(zhí)行讀取及復(fù)位的狀態(tài)。在PET等中，當(dāng)Y射線入射到閃爍器上時(shí)，產(chǎn)生大量光子，這些光子入射到對(duì)應(yīng)的成像器件上。假設(shè)該時(shí)刻為虛線251，則光子僅在行讀取(用粗斜線表示RD)中被選擇性地檢測(cè)，其中曝光時(shí)間包括該時(shí)間。在該示例中，執(zhí)行檢測(cè)，直到從光子產(chǎn)生之后立即進(jìn)行讀取(行地址7)開(kāi)始所述行地址差不多循環(huán)一圈為止，接著數(shù)據(jù)變?yōu)榱?。也就是說(shuō)，如果在行地址循環(huán)一圈的周期中連續(xù)或間歇地出現(xiàn)為1以上的行數(shù)據(jù)輸出，則這便是光子產(chǎn)生。此處，同時(shí)入射到成像器件上的光子的總數(shù)目是一圈中的行數(shù)據(jù)輸出的總加法值。另外，可估計(jì)出，產(chǎn)生時(shí)間是在第一次出現(xiàn)為1以上值的輸出的行的讀取時(shí)間與該行之前的行的讀取時(shí)間之間的252處。時(shí)間分辨率是一個(gè)行的讀取時(shí)間，即250納秒。也就是說(shuō)，利用該方法，通過(guò)在對(duì)每一行的讀取時(shí)序進(jìn)行移位的同時(shí)以循環(huán)方式執(zhí)行光子檢測(cè)，由每一行的入射次數(shù)的分布來(lái)確定當(dāng)多個(gè)光子同時(shí)入射到成像器件上時(shí)的入射時(shí)間。在此種情形中，每一行的讀取時(shí)序移位量對(duì)應(yīng)于時(shí)間分辨率。因此，如果使移位量較小，則檢測(cè)的時(shí)間分辨率會(huì)與移位量成比例地增大。6.第五實(shí)施例圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)的配置示例的圖。根據(jù)第五實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)100D與圖13所示根據(jù)第四實(shí)施例的CMOS圖像傳感器100C的不同之處在于以下方面。在第四實(shí)施例中，移位量幾乎等于一行的讀取時(shí)間。并且，在第五實(shí)施例中，即使在不改變讀取時(shí)間的情況下減小移位量，也可提高時(shí)間分辨率。在判斷結(jié)果積分電路部150D中，兩個(gè)相鄰的感測(cè)電路121-0及121_1對(duì)應(yīng)于感測(cè)電路部120D中的一個(gè)行。與此相對(duì)應(yīng)，第一寄存器部210D的兩個(gè)相鄰的4位寄存器211_0及211_1對(duì)應(yīng)于一個(gè)行。另外，在第二寄存器部220D中，位寄存器222-0...對(duì)應(yīng)于4位寄存器而排列。并且，在第五實(shí)施例中，像素區(qū)塊160(160-0、160_1...)如在第四實(shí)施例中一樣被配置成包括1 個(gè)數(shù)字像素DPX以及選擇電路。該選擇電路選擇這些像素中的一個(gè)像素來(lái)執(zhí)行復(fù)位或讀取。并且，在第五實(shí)施例中，根據(jù)由行驅(qū)動(dòng)電路170所驅(qū)動(dòng)的行控制線路180來(lái)選擇像素區(qū)塊中的一個(gè)像素。另外，在第五實(shí)施例中，為每一列均準(zhǔn)備兩個(gè)電路以用于讀取，使得在奇數(shù)行與偶數(shù)行中交替地對(duì)不同電路進(jìn)行連接。例如，在進(jìn)行像素DPXOO的讀取時(shí)，將是否有光子入射到所選像素上作為電信號(hào)來(lái)輸出至輸出信號(hào)線路131-1，并且由感測(cè)電路121-0判斷二元值。舉例來(lái)說(shuō)，感測(cè)電路 121-0在光入射到所選像素上時(shí)確定“1”為判斷值，而在光未入射到所選像素上時(shí)確定“0” 為判斷值，并且鎖存該判斷值。然后，將感測(cè)電路121-0的判斷值傳送至第一 4位寄存器部 210D的4位寄存器211-0的第一位。對(duì)四個(gè)行執(zhí)行此種讀取。另一方面，在進(jìn)行像素DPXOl的讀取時(shí)，將是否有光子入射到所選像素上作為電信號(hào)來(lái)輸出至輸出信號(hào)線路131-1，并且由感測(cè)電路121-1判斷二元值。判斷值由感測(cè)電路 121-1進(jìn)行鎖存，接著被傳送至下一級(jí)的4位寄存器211-1。對(duì)四個(gè)行執(zhí)行此種讀取。在對(duì)四個(gè)行執(zhí)行上述讀取之后，將判斷值同時(shí)傳送至下一級(jí)的第二寄存器部220D 的8位寄存器222。然后，將每一行的保持于8位寄存器222中的數(shù)據(jù)依序輸出至8位總線230D，接著傳送至輸出電路MOD。計(jì)數(shù)電路MlD設(shè)置于輸出電路MOD中，以對(duì)每一行的“1”數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)或相加。在八個(gè)行的所有列數(shù)據(jù)項(xiàng)目均被傳送之后，將每一行的加法值存儲(chǔ)到輸出鎖存器M2D中。因此，讀取、傳送以及輸出的過(guò)程基本上與圖14所示的過(guò)程相同，但在該示例中， 讀取操作是根據(jù)奇數(shù)行與偶數(shù)行的兩條線路來(lái)劃分。在將時(shí)序移位半個(gè)周期的同時(shí)，并行地執(zhí)行這些操作。此處，將參照?qǐng)D16對(duì)使用根據(jù)第五實(shí)施例的成像器件進(jìn)行的光子檢測(cè)的時(shí)間分辨率進(jìn)行說(shuō)明。圖16是用于解釋使用根據(jù)第五實(shí)施例的成像器件進(jìn)行的光子檢測(cè)的時(shí)間分辨率的圖。圖16顯示其中隨著時(shí)間的進(jìn)行而對(duì)每一行依序執(zhí)行讀取及復(fù)位的狀態(tài)。通過(guò)并行地提供兩個(gè)讀取電路，無(wú)需等待完成前一行的讀取便可起動(dòng)下一行的讀取。另外，讀取時(shí)間的移位量為讀取周期的一半。在PET等中，當(dāng)Y射線入射到閃爍器上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量光子，這些光子入射到對(duì)應(yīng)的成像器件上。假設(shè)該時(shí)刻為虛線253，則光子僅在行讀取(用粗斜線表示RD)中被選擇性地檢測(cè)，其中曝光時(shí)間包括該時(shí)間。在該示例中，執(zhí)行檢測(cè)，直到從光子產(chǎn)生之后立即進(jìn)行讀取(行地址1 時(shí)開(kāi)始行地址差不多循環(huán)一圈為止，接著數(shù)據(jù)變?yōu)榱?。也就是說(shuō)，如果在行地址循環(huán)一圈的周期中連續(xù)或間歇地出現(xiàn)為1以上值的行數(shù)據(jù)輸出，則這便是光子產(chǎn)生。此處，同時(shí)入射到成像器件上的光子的總數(shù)目是一圈中的行數(shù)據(jù)輸出的總加法值。另外，可估計(jì)出，產(chǎn)生時(shí)間是在第一次出現(xiàn)為1以上值的輸出的行的讀取時(shí)間與在該行之前的行的讀取時(shí)間之間的2M處。時(shí)間分辨率是一個(gè)行的讀取周期的一半，即125納秒。因此，可在不縮短讀取周期本身的情況下減少讀取周期的移位量。例如，也可通過(guò)進(jìn)一步增大讀取系統(tǒng)的數(shù)目，來(lái)達(dá)到與光電倍增管相當(dāng)?shù)臅r(shí)間分辨率。舉例來(lái)說(shuō)，在應(yīng)用于PET的情形中，將根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的大量成像器件排列成環(huán)形；并且對(duì)于各成像器件的每一單位曝光，系統(tǒng)均依序讀取每一行的光子的數(shù)目。然后，當(dāng)檢測(cè)到光子的產(chǎn)生時(shí)，將同時(shí)入射到成像器件上的光子的總數(shù)目以及產(chǎn)生光子時(shí)的時(shí)間戳(time stamp)記錄到存儲(chǔ)器上。這些是以最高效的方式收集的必要且充分的數(shù)據(jù)。通過(guò)在完成成像之后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行組合以識(shí)別光子同時(shí)入射到上面的一對(duì)成像器件，可認(rèn)為在連接該對(duì)成像器件的線上存在照射物質(zhì)。與相關(guān)技術(shù)相比，利用此種技術(shù)可顯著地增大成像器件本身的數(shù)目。另外，還可顯著地?cái)U(kuò)展在其上面要確定光子的同時(shí)入射的成像器件的組合自由度。因此，由于可顯著地提高靈敏度，因而可顯著地減少所施與的藥物的量。因此，可降低受照射對(duì)象的輻射照射量，并且通過(guò)抑制光子的偶然同時(shí)產(chǎn)生來(lái)提高測(cè)量精度。另外，根據(jù)上述第一實(shí)施例及第二實(shí)施例的固態(tài)成像器件還可用作數(shù)字照相機(jī)或攝像機(jī)的成像器件。7.第六實(shí)施例圖17是顯示照相機(jī)系統(tǒng)的配置示例的圖，在該照相機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的成像器件。如圖17所示，照相機(jī)系統(tǒng)600包括成像器件610，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的CMOS圖像傳感器(成像器件)100可應(yīng)用于成像器件610。照相機(jī)系統(tǒng)600包括用于對(duì)入射到成像器件610 (形成物體影像)的像素區(qū)域上的光進(jìn)行引導(dǎo)的光學(xué)系統(tǒng)，例如用于在成像表面上形成入射光(影像光)的透鏡620。另外，照相機(jī)系統(tǒng)600包括用于驅(qū)動(dòng)成像器件610的驅(qū)動(dòng)電路(DRV) 630以及用于處理成像器件610的輸出信號(hào)的信號(hào)處理電路(PRC)640。驅(qū)動(dòng)電路630包括時(shí)序產(chǎn)生器(圖未示出)，時(shí)序產(chǎn)生器產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)，并以預(yù)定的時(shí)序信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)成像器件610，這些時(shí)序信號(hào)包括用于驅(qū)動(dòng)成像器件610中的電路的起動(dòng)脈沖或時(shí)鐘脈沖。另外，信號(hào)處理電路640對(duì)成像器件610的輸出信號(hào)執(zhí)行預(yù)定信號(hào)處理。由信號(hào)處理電路640所處理的圖像信號(hào)被記錄在記錄媒體(例如存儲(chǔ)器)上。通過(guò)打印機(jī)等對(duì)記錄于記錄媒體上的圖像信息進(jìn)行硬拷貝(hard copy)。另外，由信號(hào)處理電路640所處理的圖像信號(hào)作為動(dòng)態(tài)圖像被投影到由液晶顯示器等形成的監(jiān)視器上。如上所述，通過(guò)在成像裝置(例如數(shù)字照相機(jī))中設(shè)置上述固態(tài)成像器件100作為成像器件610，可實(shí)現(xiàn)耗電量低的高精度照相機(jī)。另外，盡管當(dāng)在同一半導(dǎo)體基板上設(shè)置像素以及感測(cè)電路時(shí)，需要采用其中多個(gè)像素共享感測(cè)電路的圖1所示配置，然而近幾年來(lái)還出現(xiàn)一種利用晶圓接合(wafer bonding)技術(shù)以多個(gè)層來(lái)形成半導(dǎo)體層的技術(shù)。在此種情形中，例如，可在每一像素的下層中設(shè)置每一像素的感測(cè)電路。并且，在此種情形中，通過(guò)使多個(gè)感測(cè)電路共享包括計(jì)數(shù)器的集成電路，可容易地執(zhí)行像素之間的加法。因此，可改善成像時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素，可以在本發(fā)明所附的權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改、組合、次組合以及改變。
權(quán)利要求
1.一種成像器件，其包括像素陣列部，其用作光接收部，在所述像素陣列部中以陣列形式設(shè)置有具有光電轉(zhuǎn)換器件的多個(gè)像素，當(dāng)光子入射時(shí)，所述像素輸出電信號(hào)；感測(cè)電路部，其中排列有多個(gè)感測(cè)電路，所述感測(cè)電路接收來(lái)自所述像素的所述電信號(hào)并執(zhí)行關(guān)于在預(yù)定周期中是否有光子入射到所述像素上的二元判斷；以及判斷結(jié)果積分電路部，其具有如下功能，即針對(duì)所述各個(gè)像素或針對(duì)各像素群組來(lái)對(duì)所述感測(cè)電路的多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分，其中，所述判斷結(jié)果積分電路部執(zhí)行光子計(jì)數(shù)以對(duì)所述多個(gè)像素中的所述多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分，從而得出入射到所述光接收部上的光子數(shù)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像器件，其中，通過(guò)利用被以相等距離劃分的光接收表面以及被以相等距離劃分的時(shí)間軸在所述光接收部中形成多個(gè)格網(wǎng)，來(lái)執(zhí)行所述光子計(jì)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像器件，其中，每一格網(wǎng)具有兩個(gè)值邏輯1及邏輯0，所述感測(cè)電路中的每一者均判斷是否有一個(gè)或多個(gè)光子入射到所述每一格網(wǎng)上，并在存在入射時(shí)，無(wú)論入射光子的數(shù)目如何，均判斷為1，而當(dāng)不存在入射時(shí)，判斷為0，以及所述判斷結(jié)果積分電路部對(duì)各所述感測(cè)電路的1的和進(jìn)行計(jì)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的成像器件，其中，在所述像素陣列部中形成有多個(gè)像素區(qū)塊，各所述像素區(qū)塊包括多個(gè)像素及選擇構(gòu)件，并且在所述感測(cè)電路部中，對(duì)應(yīng)于所述像素區(qū)塊中的各像素區(qū)塊設(shè)置單獨(dú)的感測(cè)電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像器件，其中，所述像素區(qū)塊的所述選擇構(gòu)件以循環(huán)方式選擇對(duì)應(yīng)像素區(qū)塊中的所述像素，并向所述感測(cè)電路輸出所選像素的信號(hào)，并且所述感測(cè)電路判斷在從上一次選擇到當(dāng)前選擇的固定周期中在各所述像素上是否有光子入射。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像器件，其中，設(shè)有復(fù)位功能，所述復(fù)位功能用于將所述像素中的各像素復(fù)位至光子未入射的狀態(tài)，并且設(shè)有調(diào)整功能，所述調(diào)整功能用于通過(guò)在所述像素區(qū)塊中各像素的選擇性輸出與下一選擇性輸出之間插入復(fù)位處理，使得各像素中的曝光時(shí)間固定，來(lái)調(diào)整曝光周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的成像器件， 其中，所述判斷結(jié)果積分電路部包括計(jì)數(shù)電路，其用于執(zhí)行對(duì)所述感測(cè)電路的判斷結(jié)果進(jìn)行積分的計(jì)數(shù)處理；以及存儲(chǔ)器，其用于存儲(chǔ)所述計(jì)數(shù)電路中各像素的計(jì)數(shù)結(jié)果， 其中，所述多個(gè)感測(cè)電路共享用于對(duì)所述判斷結(jié)果進(jìn)行積分的所述計(jì)數(shù)電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的成像器件，其中，在所述像素陣列部中，所述多個(gè)像素排列成矩陣形式， 所述判斷結(jié)果積分電路部輸出各行中的光子入射的加法值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像器件，其中，所述判斷結(jié)果積分電路部包括至少一個(gè)寄存器部，其包括至少一個(gè)線路緩沖器，所述至少一個(gè)寄存器部保持并輸出各行的所述感測(cè)電路的判斷值；總線，其傳送所述線路緩沖器的輸出數(shù)據(jù)；以及計(jì)數(shù)電路，其用于執(zhí)行對(duì)所述感測(cè)電路的判斷結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行積分的計(jì)數(shù)處理，所述判斷結(jié)果數(shù)據(jù)是經(jīng)由所述總線進(jìn)行傳送的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的成像器件，其中，在所述感測(cè)電路部中，在各列中設(shè)置有多條線路的感測(cè)電路，該感測(cè)電路執(zhí)行關(guān)于讀取多個(gè)像素的判斷，并且所述判斷結(jié)果積分電路部用于在對(duì)時(shí)間進(jìn)行移位的同時(shí)讀取各列中的所述多條線路的所述感測(cè)電路的判斷值，將所述判斷值保持在所述寄存器部中，并經(jīng)由所述總線傳送存儲(chǔ)于所述寄存器部中的所述多條線路的數(shù)據(jù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的成像器件，其中，設(shè)有復(fù)位功能，所述復(fù)位功能用于將所述像素中的各像素復(fù)位至光子未入射的狀態(tài)，所述感測(cè)電路通過(guò)讀取復(fù)位狀態(tài)中的信號(hào)以及曝光后的讀取信號(hào)、對(duì)所述復(fù)位狀態(tài)中的信號(hào)和所述讀取信號(hào)中的任一者加上偏移值，并且將通過(guò)加上所述偏移值而獲得的信號(hào)與所述復(fù)位狀態(tài)中的信號(hào)和所述讀取信號(hào)中的另一信號(hào)相比較，來(lái)執(zhí)行所述二元判斷。
12.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的成像器件，其中，以直線或陣列形式設(shè)置多個(gè)電路區(qū)塊，所述電路區(qū)塊中的各電路區(qū)塊均包括所述像素陣列部、所述感測(cè)電路部以及所述判斷結(jié)果積分電路部。
13.一種照相機(jī)系統(tǒng)，其包括成像器件，其為權(quán)利要求1 12中任一項(xiàng)所述的成像器件；光學(xué)系統(tǒng)，其用于在所述成像器件上形成物體圖像；以及信號(hào)處理電路，其用于處理所述成像器件的輸出圖像信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及成像器件及照相機(jī)系統(tǒng)。該成像器件包括像素陣列部，其用作光接收部，在像素陣列部中以陣列形式設(shè)置有具有光電轉(zhuǎn)換器件的多個(gè)像素，當(dāng)光子入射時(shí)，像素輸出電信號(hào)；感測(cè)電路部，其中排列有多個(gè)感測(cè)電路，感測(cè)電路接收來(lái)自像素的電信號(hào)并執(zhí)行關(guān)于在預(yù)定周期中是否有光子入射到像素上的二元判斷；以及判斷結(jié)果積分電路部，其具有如下功能，即針對(duì)各個(gè)像素或針對(duì)各像素群組來(lái)對(duì)感測(cè)電路的多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分，其中，判斷結(jié)果積分電路部執(zhí)行光子計(jì)數(shù)以對(duì)多個(gè)像素中的多個(gè)判斷結(jié)果進(jìn)行積分，從而得出入射到光接收部上的光子數(shù)量。本發(fā)明甚至在低照明度下也以較低噪聲且以寬的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行成像或光強(qiáng)度測(cè)量。
文檔編號(hào)H04N5/369GK102572319SQ20111028749
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月1日
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