Устройство формирования изображения и система камеры

Устройство формирования изображения и система камеры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству формирования изображения такому, как датчик изображения CMOS, и к системе камеры.

Уровень техники

В последнее время датчики изображения CMOS широко используются в цифровых фотокамерах, видеокамерах, камерах систем видеонаблюдения и т.д., и рынок для датчиков изображения CMOS расширился.

Каждый пиксель в датчике изображения CMOS преобразует входной свет в электроны, используя фотодиод, который является фотоэлектрическим устройством преобразования, содержит электрон в течение заданного периода и затем выводит сигнал, отражающий величину накопленных зарядов, в аналого-цифровой (AD) преобразователь, включенный в микросхему. AD преобразователь оцифровывает сигнал, который будет отправлен наружу.

В датчике изображения CMOS такие пиксели формирования изображения расположены в матричной форме.

На фиг.1 показана схема, представляющая типичную конфигурацию микросхемы датчика 10 изображения CMOS, который является твердотельным устройством формирования изображения.

Такой датчик 10 изображения CMOS имеет блок 11 матрицы пикселей, схему 12 управления горизонтальной разверткой, AD преобразователь 13, переключатель 14, выходную цепь 15, линию 16 управления строки, линию 17 сигнала вертикальной развертки и линию 18 передачи.

В блоке 11 матрицы пикселей имеется множество пикселей РХ, расположенных в матричной форме в направлении строки и в направлении столбца. Линия 17 сигнала вертикальной развертки совместно используется множеством пикселей РХ, выровненных в направлении строки, и связана с AD преобразователем 13, расположенным в ассоциации с каждым столбцом.

Схема 12 управления горизонтальной разверткой выбирает только одну из множества строк и обеспечивает возможность для линии 16 управления строки считывать накопленные заряды из пикселей РХ строка за строкой.

Линия 16 управления строки сформирована из одиночной линии управления или из множества линий управления для считывания накопленных зарядов из таких пикселей или сброса пикселей строка за строкой.

Сброс здесь означает операцию разряда накопленных зарядов из пикселей, чтобы установить пиксели в состояние перед экспонированием, и выполняется как операция затвора немедленно после считывания каждой строки пикселей или во время инициализации экспонирования.

Во время считывания накопленных зарядов аналоговые сигналы, переданные в AD преобразователь 13 через линию 17 сигнала вертикальной развертки, преобразуют в цифровые сигналы, которые, в свою очередь, последовательно передают в выходную цепь 15 через переключатель 14 для вывода в устройство обработки изображения (не показано), расположенное внутри или снаружи микросхемы.

Когда заканчивают считывание одной строки пикселей в датчике 10 изображения CMOS, выбирают следующую строку и повторяют аналогичное считывание заряда, AD преобразование и вывод сигнала. Завершение обработки во всех строках заканчивает вывод одного кадра данных изображения.

Фиксирующая схема или фиксатор могут быть предусмотрены где-нибудь перед выходным каскадом для конвейерной передачи результатов считывания заряда, AD преобразования и вывода сигнала, но датчик изображения CMOS все еще не способен обрабатывать больше чем одну строку данных изображения.

Время, требуемое для окончания обработки каждой строки данных, определяет верхний предел частоты кадров движущихся изображений.

В JP-A-2002-44527 (Патентный документ 1) и в JP-A-2006-49361 (Патентный документ 2) предложен датчик изображения с многослойной структурой из пикселей и AD преобразователей.

На фиг.2 показана концептуальная схема датчика 10А изображения CMOS с многослойной структурой из пикселей и AD преобразователей.

Для облегчения понимания концепции одинаковыми номерами ссылочных позиций обозначены те же компоненты, показанные на фиг.1.

Датчик 10 изображения CMOS на фиг.2 имеет пиксели РХ и AD преобразователи 13, соответственно, расположенные на разных полупроводниковых подложках в виде массивов. Две полупроводниковых подложки соединяют друг другом в виде слоев, при этом каждый пиксель соединяют с соответствующим AD преобразователем аналоговой линией 17 сигнала.

Использование такой архитектуры может гарантировать считывание зарядов из множества строк пикселей одновременно и параллельное выполнение AD преобразования строка за строкой.

Данные после преобразования временно передают в запоминающее устройство 19 для передачи в устройство обработки изображения (не показано), расположенное внутри или снаружи микросхемы.

Использование такой многослойной структуры может существенно улучшить скорость формирования изображения, по меньшей мере в микросхеме формирования изображения, таким образом гарантируя сверхбыстродействующее формирование изображения кадра.

Кроме того, в последнее время значительное внимание уделяют разработке высокоточной технологии склеивания подложки. Например, в JP-A-2007-234725 (Патентный документ 3) и JP-A-2006-191081 (Патентный документ 4) описана технология склеивания датчика изображения с "обратной стороной облучения" и подложки с установленной схемой противоположно друг другу, и сигналы передают между ними через металлические контактные площадки.

Эта технология позволяет подготовить многослойную структуру, как показано на фиг.2, во время производства на уровне подложки, и пиксели с AD преобразователями подключают, не осуществляя соединение контактными столбиками для каждой микросхемы.

Поскольку эта технология позволяет вырезать отдельные микросхемы после производства на уровне подложки, она подходит для изготовления микропроцессоров и является существенно недорогой.

В JP-A-7-67043 (Патентный документ 5) предложена новая схема подсчета фотонов с разделением времени.

В соответствии со схемой подсчета многократно выполняют двоичный выбор на основе присутствия/отсутствия входного фотона в фотодиоде за данный период, и результаты решения интегрируют, чтобы получить двумерные данные, формирующие изображение.

Таким образом, определяют сигналы от фотодиода в заданный период, и счетчик, соединенный с каждым пикселем, увеличивает величину подсчета на 1, независимо от количества входных фотонов, когда количество входа фотонов за этот период равно или больше 1.

Если частота входных фотонов является случайной вдоль оси времени, фактическое количество входных фотонов и величина подсчета соответствуют распределению Пуассона таким образом, что количество имеет, по существу, линейное отношение, когда частота падения низкая, и может быть скорректирована в любом случае, когда частота попадания высокая.

Поскольку датчик изображения, в котором используют такой подсчет фотонов с разделением времени, всегда обрабатывает выходные данные пикселей как цифровые данные, случайный шум или фиксированный выступ характеристики из-за передачи и усиления аналоговых сигналов не возникают.

В это время это остаются только флуктуационный шум, возникающий при съемке, и темновой ток, генерируемый в пикселях, и может быть получено очень высокое отношение сигнал-шум, в частности, при формировании изображений с малой освещенностью.

Сущность изобретения

Использование структуры, показанной на фиг.2, может обеспечить возможность быстрого параллельного считывания сигналов из блока матрицы пикселей и выполнения AD преобразования перед сохранением в виде данных в запоминающем устройстве.

Однако существенные трудности все еще остаются при оцифровке данных и оптимальном использовании всех снятых данных, хранящихся в запоминающем устройстве 19.

Во-первых, когда большой объем данных, полученных при в десятки раз более высокой частоте кадров, передают наружу в том виде, как они есть, интерфейс передачи и микросхема для последующей обработки изображения становятся очень дорогими. Если частоту кадров просто значительно повысить, за пределы способности восприятия глаз, область применения датчика изображения ограничивается.

Поэтому желательно предпринять некоторые новые меры для добавления полезных эффектов, включающих в себя улучшение качества изображения, если возможно, в микросхеме формирования изображения и в выходных данных в полосе, которая не сильно отличается от полосы в нормальном случае при применении такого сверхбыстрого формирования изображения.

Однако в Патентном документе 2 не описана обработка данных после сохранения в запоминающем устройстве.

В литературе, цитируемой в описании варианта выполнения в Патентном документе 1, характеристику быстрого считывания применяют для достижения "сигма-дельта" AD преобразования.

Однако эта схема затрудняет компенсацию изменений характеристик индивидуальных AD преобразователей, и достижение такого AD преобразования должно не обязательно улучшает качество изображения.

В общем, нормальный датчик изображения выводит аналоговый сигнал, фотоэлектрически преобразованный пикселем, и подвергает аналоговый сигнал AD преобразованию так, чтобы различные виды шумов были смешаны при обработке передачи аналоговых данных и обработке преобразования аналоговых данных в цифровые данные.

Для получения конфигурации нормального датчика изображения с многослойной структурой необходимо обеспечить соединение для передачи аналогового сигнала между подложками.

Однако по сравнению с соединением в пределах одной подложки соединение между подложками сопровождается большим изменением импеданса, паразитной емкости и т.д., что может генерировать дополнительный шум.

В Патентных документах 5 и 6 предложены устройства формирования изображения, в которых используют подсчет фотонов.

Такое устройство формирования изображения принимает выходной сигнал непосредственно из пикселей в цифровой форме так, что возможно полностью устранить случайный шум или фиксированный шум, возникающие при аналоговой обработке сигналов, которая неизбежна в нормальном датчике изображения. Это приводит к потенциально очень высокому отношению "сигнал-шум".

Однако поскольку для подсчета фотонов требуется обеспечить чрезвычайно быстрое считывание, в устройствах формирования изображения, раскрытых в этих двух патентных документах, предусмотрены цифровые функции принятия решения в индивидуальных пикселях, которые предусмотрены на той же подложке, где расположены устройства приема света.

Например, в Патентном документе 5 для каждого пикселя требуется счетчик.

В Патентном документе 6, в котором описано достижение миниатюризации пикселей, для отдельных пикселей требуются 1-битовые запоминающие устройства, которые располагаются в плоскости наряду с устройствами приема света.

Кроме того, схема, которая называется "1-битовым запоминающим устройством", должна также иметь функцию принятия решения в отношении сигнала, и требует более сложного управления и большого количества элементов схемы, чем простой фиксатор.

Это делает число диафрагмы пикселей очень малым, что не позволяет получить достаточную чувствительность. Кроме того, счетчик, хотя и расположен вне матрицы пикселей, предусматривается для каждого пикселя.

В соответствии с технологией, предложенной в Патентном документе 5, количество фотонов, которые могут фактически ощущаться, определяется общим количеством решений считывания за один период кадра, чтобы сформировать одно изображение при формировании изображения, используя подсчет фотонов с разделением времени.

Когда 12-битовый выход получают при 4095 решениях относительно входных фотонов, например фактическое число зарегистрированных фотонов равно или меньше, чем прежнее количество, и квадратный корень этого числа становится шумом фотосъемки, который возникает случайно для каждого кадра.

В случае формирования изображения с малой освещенностью общее количество входных фотонов на пиксель за один период кадра составляет, например, 200, большую часть из которых фактически подсчитывают без каких-либо проблем. Поэтому отношение "сигнал-шум" для шумов фотосъемки становится таким же, как и у аналогового датчика в предшествующем уровне техники, что делает подсчет фотонов с разделением времени, предпочтительным по сравнению с предшествующим уровнем техники, поскольку он не содержит шумы аналоговой передачи, значительно большие, чем шумы фотосъемки.

С другой стороны, в случае формирования изображения при высокой освещенности и при использовании аналогового датчика, фотодиод которого сохраняет, например, 10000 электронов, можно подсчитать максимум - это количество электронов.

В это время шумы фотосъемки составляют 100 e-rms, и отношение "сигнал-шум" становится в 100 раз (на 40 дБ) большим. При подсчете фотонов с разделением времени невозможно подсчитать приблизительно 1 600 электронов, если используется линейная область, с учетом точности.

В это время шумы фотосъемки составляют 40 e-rms, и полученное отношение "сигнал-шум" в 40 раз (на 32 дБ) больше.

Поэтому в случае полного цифрового формирователя изображения, в котором используется подсчет фотонов с разделением времени, общее количество подсчетов должно быть увеличено, чтобы улучшить отношение "сигнал-шум" при формировании изображения при высокой освещенности.

Однако общее количество подсчетов ограничивается временем считывания данных из пикселей во время принятия решения по входным фотонам.

В то время как считывание данных пикселя представляет собой детектирование незначительного сигнала одиночного фотона, случайные шумы цепи датчика увеличиваются при повышении скорости считывания. Поэтому увеличение частоты появления ошибок считывания ограничивает время считывания данных.

Предположим, что для считывания данных требуется 400 наносекунд. Обычно операция считывания формирователя изображения представляет собой считывание со стиранием информации так, что пиксель при считывании не может содержать заряды (накопление заряда эквивалентно экспонированию).

Поэтому, чтобы обеспечить время экспонирования, которое составляет, например, 90 процентов периода кадра, длительность цикла решения, которая представляет собой сумму времени экспонирования и периода считывания, должна составлять 4 микросекунды.

При условии, что один период кадра составляет 1/60 секунды, тогда максимальное количество подсчетов при принятии решения достигает 4166. Этого количества недостаточно, чтобы обеспечить высокое отношение "сигнал-шум" во время высокой освещенности.

Поэтому желательно предусмотреть устройство формирования изображения и систему камеры, которые избавляют от необходимости обработки аналоговых сигналов для исключения шумов схемы, возникающих в AD преобразователе, и обрабатывать аналоговые сигналы без уменьшения числа диафрагмы пикселей, таким образом улучшая характеристики формирования изображения при низких затратах.

Также желательно предусмотреть устройство формирования изображения и систему камеры, которые оптимизируют установку экспозиции, когда используется подсчет фотонов с разделением времени.

В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения предусмотрено устройство формирования изображения, включающее в себя блок матрицы пикселей, имеющий массив пикселей, каждый из которых имеет устройство фотоэлектрического преобразования и выводит электрический сигнал в соответствии с входным фотоном, блок чувствительной схемы, имеющий множество схем датчика, каждая из которых выполняет двоичный выбор, имеется ли входной фотон в пикселе в заданный период после приема от него электрического сигнала, и блок IC результата решения, который интегрирует результаты решения, полученные из чувствительных схем, пиксель за пикселем или для каждой группы пикселей, множество раз для генерирования отображаемых данных с градацией, причем блок IC результата решения включает в себя схему подсчета, которая выполняет обработку подсчета для интегрирования результатов решения, полученных из чувствительных схем, и запоминающее устройство, предназначенное для сохранения результата подсчета для каждого пикселя из схемы подсчета, при этом множество чувствительных схем совместно используют схему подсчета для интегрирования результатов решения.

В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения предусмотрена система камеры, имеющая устройство формирования изображения, оптическую систему, которая формирует изображение субъекта на устройстве формирования изображения, и схему обработки сигналов, которая обрабатывает выходной сигнал изображения из устройства формирования изображения, причем устройство формирования изображения включает в себя блок матрицы пикселей, имеющий массив пикселей, каждый из которых имеет устройство фотоэлектрического преобразования и выводит электрический сигнал в соответствии с входным фотоном, блок чувствительной схемы, имеющий множество схем датчика, каждая из которых выполняет двоичный выбор, поступил ли входной фотон в пиксель в заданный период после приема электрического сигнала от него, и блок IC результата решения, который интегрирует результаты решения, полученные из чувствительных схем, пиксель за пикселем или для каждой группы пикселей, множество раз для генерирования отображаемых данных с градацией, причем блок IC результата решения включает в себя схему подсчета, которая выполняет обработку подсчета, чтобы интегрировать решение, полученное из чувствительных схем, и запоминающее устройство, предназначенное для сохранения результата подсчета для каждого пикселя из схемы подсчета, причем множество чувствительных схем совместно используют схему подсчета для интегрирования результатов решения.

Варианты выполнения изобретения позволяют исключить обработку аналоговых сигналов, чтобы устранить шум в схеме, возникающий в AD преобразователе и при обработке аналоговых сигналов, без уменьшения числа диафрагмы пикселей, таким образом улучшая рабочую характеристика формирования изображения при низких затратах.

Также возможно оптимизировать установку экспозиции, когда используется подсчет фотонов с разделением времени.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана схема, представляющая типичную конфигурацию микросхемы датчика изображения CMOS, который является твердотельным устройством формирования изображения;

на фиг.2 показана концептуальная схема, представляющая датчик изображения CMOS, у которого есть многослойная структура AD преобразователей и пикселей;

на фиг.3 показана схема, представляющая пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения;

на фиг.4 показана схема, представляющая один пример конфигурации схемы пикселя в соответствии с первым вариантом выполнения;

на фиг.5 показана схема, иллюстрирующая первый пример процедур доступа в соответствии с первым вариантом выполнения;

на фиг.6 показана схема, иллюстрирующая второй пример процедур доступа в соответствии с первым вариантом выполнения;

на фиг.7А-7С представлены схемы, иллюстрирующие более конкретные примеры процедур доступа на фиг.6;

на фиг.8 показана схема, представляющая пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения;

на фиг.9 показана схема для пояснения циклического доступа к блокам пикселей в соответствии со вторым вариантом выполнения;

на фиг.10 показана схема, представляющая общее изображение микросхемы в соответствии со вторым вариантом выполнения, показанным на фиг.8;

на фиг.11 показана принципиальная схема, представляющая один пример чувствительной схемы, имеющей функцию самообращения;

на фиг.12А-12F представлена временная диаграмма для пояснения примера операции считывания с использованием чувствительной схемы с функцией самообращения по фиг.11 со ссылкой на пиксель по фиг.4 в качестве примера;

на фиг.13 показана схема, представляющая пример конфигурации блока пикселя, соответствующего второму варианту выполнения с использованием диода с внутренним усилением;

на фиг.14 показана схема, представляющая один пример поперечного сечения датчика изображения CMOS, в котором используется структура соединения на основе емкостной связи через конденсатор;

на фиг.15 показана схема, представляющая один пример чувствительной схемы с функцией самообращения в датчике изображения CMOS, в котором используется структура соединения на основе емкостной связи через конденсатор;

на фиг.16 показана схема, представляющая пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с третьим вариантом выполнения изобретения;

на фиг.17 показана схема, иллюстрирующая поток обработки отображаемых данных при высокой освещенности в схеме на фиг.16;

на фиг.18 показана схема, иллюстрирующая поток обработки отображаемых данных при малой освещенности в схеме на фиг.16;

на фиг.19А к 19D показаны схемы, представляющие концепцию переключения цикла в третьем варианте выполнения;

на фиг.20 показана схема, представляющая пример, в котором динамический диапазон формирования изображения улучшен путем циклического выполнения расчета с комбинацией длительного периода цикла и короткого периода цикла; и

на фиг.21 показана схема, представляющая один пример конфигурации системы камеры, для которой адаптировано твердотельное устройство формирования изображения в соответствии с четвертым вариантом выполнения изобретения.

Подробное описание изобретения

Предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретение будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Описание будет приведено в следующем порядке.

1. Общие свойства устройства формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения изобретения

2. Первый вариант выполнения (первый пример конфигурации устройства формирования изображения)

3. Второй вариант выполнения (второй пример конфигурации устройства формирования изображения)

4. Третий вариант выполнения (третий пример конфигурации устройства формирования изображения)

5. Четвертый вариант выполнения (система камеры)

<1. Общие свойства устройства формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения изобретения>

С точки зрения быстрого параллельного считывания вариант выполнения изобретения реализует оптимальную конфигурацию устройства формирования изображения (датчик изображения CMOS) как полностью цифровой датчик изображения, в котором используется подсчет фотонов.

Во-первых, каждый пиксель выводит электрический сигнал, представляющий присутствие/отсутствие входного фотона, в пределах определенного периода. Чувствительная схема многократно принимает результат присутствия/отсутствия входного фотона за один период кадра и делает двоичный выбор для каждого результата. Устройство формирования изображения генерирует данные градации для каждого пикселя путем интеграции результатов этого решения.

На основе этой базовой конфигурации устройство формирования изображения в соответствии с режимом имеет следующие характерные структуры.

Первая характерная структура представляет собой соединенные слои пикселей и чувствительных схем, в которых используются разные полупроводниковые подложки. Пиксели и чувствительные схемы, соответственно, сформированы в виде массивов, которые соединены в виде многослойной структуры для реализации быстрого параллельного считывания без потери числа диафрагмы.

Вторая характерная структура представляет собой иерархическую компоновку множества чувствительных схем и схемы подсчета для интегрирования результатов решения так, что чувствительные схемы совместно используют схему подсчета. Совместное использование схемы подсчета множеством чувствительных схем может гарантировать гибкую оптимизацию размеров схемы и скорости обработки.

Третья характерная структура представляет собой функцию коррекции времени экспонирования путем изменения времени сброса. Время экспонирования регулируют путем изменения времени сброса, а не времени считывания, таким образом реализуя гибкий конвейер для последующей обработки передачи данных.

Четвертая характерная структура представляет собой иерархическую компоновку пикселей, чувствительных схем и схемы подсчета. Совместное использование чувствительной схемы со множеством пикселей и циклический доступ позволяют работать с малыми пикселями при обеспечении время экспонирования. Кроме того, совместное использование схемы подсчета с множеством чувствительных схем может гарантировать гибкую оптимизацию масштаба схемы и производительности процесса.

Пятая характерная структура представляет собой восприятие с использованием функции самообращения, чтобы обеспечить возможность детектирования одного фотона для пикселя. Уровень сброса и уровень сигнала считывают из пикселя, и эти два уровня, один из которых суммируют со смещением, сравнивают друг с другом, чтобы выполнить двоичный выбор. Это взаимно уничтожает вариации уровня сброса от пикселя к пикселю.

Режим, в котором используются описанные выше структуры, позволяет получить устройство формирования изображения с возможностью подсчета фотонов, без потери числа диафрагмы пикселей, и позволяет полностью устранить случайный шум и фиксированный шум, возникающие при аналоговой обработке сигналов, и которые не были бы обычно неизбежны в датчиках изображения. В это время остаются только шумы фотосъемки и темновой ток для каждого пикселя, и, таким образом, достигается очень высокое отношение "сигнал-шум", которое гарантирует генерирование ясных изображений градации.

Поскольку чувствительные схемы или подобное могут быть размещены под пикселями и нет необходимости в сложной аналоговой схеме, микросхему, главным образом, занимает одна только матрица пикселей, что способствует снижению стоимости микросхемы.

Кроме того, динамический диапазон может быть значительно расширен без изменения пикселей при увеличении количества выборок для формирования одного кадра или выполнения операции осуществления выборки с разным комбинированным временем экспонирования.

Даже если пиксели и чувствительные схемы объединяют в виде многослойной структуры с использованием разных подложек, выходы пикселей в чувствительные схемы не обязательно должны иметь точность аналоговых выходов, поскольку импеданс проводников передачи сигнала и изменения паразитной емкости не влияют на шумы.

Кроме того, цифровое считывание с использованием функции самообращения значительно улучшает точность решения.

Далее описан датчик изображения CMOS как устройство формирования изображения в соответствии с режимом, обладающим упомянутыми выше особенностями.

<2. Первый вариант выполнения>

На фиг.3 показана схема, представляющая пример конфигурации датчика 100 изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения.

[Схема общей конфигурации]

Датчик 100 изображения CMOS имеет блок 110 матрицы пикселей, блок 120 чувствительной схемы, группу линий 130 выходного сигнала, группу линий 140 передачи и блок 150 IC результата решения.

В блоке 110 матрицы пикселей содержится множество цифровых пикселей DPX, расположенных в форме матрицы в направлении строк и в направлении столбцов.

Каждый цифровой пиксель DPX имеет устройство фотоэлектрического преобразования и имеет функцию вывода электрического сигнала в соответствии с входным фотоном.

Блок 110 матрицы пикселей сформирован, например, на первой полупроводниковой подложке SUB1.

Блок 120 чувствительной схемы сформирован на второй полупроводниковой подложке SUB2, отличающейся от первой полупроводниковой подложки SUB1.

Блок 120 чувствительной схемы содержит множество чувствительных схем 121, расположенных, например, в форме матрицы в направлении строк и в направлении столбцов во взаимно-однозначном соответствии с матрицей пикселей DPX в блоке 110 матрицы пикселей.

У каждой чувствительной схемы 121 есть функция двоичного выбора, определяющая, поступил ли входной фотон в соответствующий цифровой пиксель DPX в течение заданного периода после приема сигнала от него.

Первая полупроводниковая подложка SUB1 и вторая полупроводниковая подложка SUB2 соединены слоями.

Например, соединение слоями выполняют таким способом, что множество пикселей DPX, сформированных на первой полупроводниковой подложке SUB1, обращены к множеству чувствительных схем 121, сформированных на второй полупроводниковой подложке SUB2 во взаимно-однозначном соответствии. Противоположный пиксель DPX и чувствительная схема 121 соединены каждой линией 131 выходного сигнала в группе линий 130 выходного сигнала.

В примере, показанном на фиг.3, выход пикселя DPX-00, расположенного в 0-ой строке и 0-ом столбце, соединен со входом чувствительной схемы 121-00, расположенной в 0-ой строке и 0-ом столбце, линией 131-00 выходного сигнала. Выход пикселя DPX-01, расположенного в 0-ой строке и первом столбце, соединен со входом чувствительной схемы 121-01, расположенный в 0-ой строке и первом столбце, линией 131-01 выходного сигнала.

Выход пикселя DPX-10, расположенного в первой строке и 0-ом столбце, соединен со входом чувствительной схемы 121-10, расположенной в первой строке и 0-ом столбце, линией 131-10 выходного сигнала. Выход пикселя DPX-11, расположенного в первой строке и первом столбце, соединен со входом чувствительной схемы 121-11, расположенной в первой строке и первом столбце, линией 131-11 выходного сигнала.

Пиксели и чувствительные схемы, расположенные в других строках и столбцах, соединены аналогично, хотя это не показано.

Выходы чувствительных схем 121 в блоке 120 чувствительной схемы, которые расположены в одной строке, соединены с общей линией 141 передачи.

В примере, показанном на фиг.3, выходы чувствительных схем 121-00, 121-01…, расположенных в 0-ой строке, соединены с линией 141-0 передачи.

Выходы чувствительных схем 121-10, 121-11…, расположенных в первой строке, соединены с линией 141-1 передачи. Аналогичное соединение выполнено для вторых и последующих строк, хотя это не показано.

Блок 150 IC результата решения имеет функцию многократного интегрирования результатов решения чувствительных схем 121 пиксель за пикселем для генерирования двумерных данных изображения с градацией.

Блок 150 IC результата решения имеет IC 151-0, 151-1… результата решения, ассоциированные с компоновкой строки чувствительных схем 121 в блоке 120 чувствительной схемы.

Другими словами, IC 151-0 результата решения соединена с линией 141-0 передачи, с которой соединены чувствительные схемы 121-00, 121-01…, расположенные в 0-ой строке.

IC 151-1 результата решения соединена с линией 141-1 передачи, с которой соединены чувствительные схемы 121-10, 121-11…, расположенные в первой строке.

В IC 151-0 результата решения имеется регистр 152-0, который содержит значение решения, переданное по линии 141-0 передачи, схему 153-0 подсчета, которая подсчитывает значение, содержащееся в регистре 152-0, и запоминающее устройство 154-0, которое содержит результат подсчета, полученный из схемы 153-0 подсчета.

В IC 151-1 результата решения есть регистр 152-1, который содержит значение решения, переданное по линии 141-1 передачи, схему 153-1 подсчета, которая подсчитывает значение, содержащее в регистре 152-1, и запоминающее устройство 154-1, которое содержит результат подсчета из схемы 153-1 подсчета.

В соответствии с вариантом выполнения схема 153-0 подсчета в IC 151-0 результата решения совместно используется множеством чувствительных схем 121-00, 121-01,…

Аналогично схема 153-1 подсчета в IC 151-1 результата решения совместно используется множеством чувствительных схем 121-10, 121-11,…

[Функция цифрового пикселя]

Как упомянуто выше, цифровой пиксель (который ниже может просто называться "пикселем") DPX имеет устройство фотоэлектрического преобразования и выводит электрический сигнал в соответствии с входным фотоном.

Датчик 100 изображения CMOS, как устройство формирования изображения, имеет функцию сброса пикселей DPX и функцию считывания сигналов из них и может выполнять функцию сброса и функцию считывания в произвольные моменты времени.

Функция сброса сбрасывает пиксель DPX в состояние, в котором фотон не поступает на вход. У каждого пикселя DPX, предпочтительно, есть линза и цветной фильтр на его поверхности приема света.

Такие основные функции пикселя аналогичны нормальному пикселю, за исключением того, что на выходе пикселя DPX не требуются точность и линейность аналогового значения.

Один пример конфигурации цифрового пикселя будет описан ниже.

На фиг.4 показана схема, представляющая один пример конфигурации схемы пикселя в соответствии с вариантом выполнения.

На фиг.4 показан один пример схемы пикселя, включающей в себя три транзистора.

В одиночном пикселе DPX пикселя DPX есть фотодиод 111, транзистор 112 передачи, транзистор 113 сброса, транзистор 114 усилителя, узел 115 накопителя и узел 116 плавающей диффузионной (FD) области.

Электрод затвора транзистора 112 передачи соединен с линией 117 передачи, и электрод затвора транзистора 113 сброса соединен с линией 118 сброса.

У транзистора 114 усилителя есть электрод затвора, соединенный с узлом 116 FD, и электрод истока, подключенный к линии 131 выходного сигнала.

В единичном пикселе DPX поступающий на кремниевую подложку для пикселей свет генерирует пару из электрона и дырки, при этом электрон содержится в узле 115 накопителя фотодиодом 111.

Когда транзистор 112 передачи открывают в определенный момент времени, эти электроны передают в узел 116 FD для управления затвором транзистора 114 усилителя.

В результате сигнальный заряд становится сигналом в линии 131 выходного сигнала, и его считывают.

Линия 131 выходного сигнала может быть заземлена через источник постоянного тока или элемент резистора для выполнения операции истокового повторителя, или может быть временно заземлена перед считыванием и затем переведена в плавающее состояние для вывода уровня заряда установленного транзистором 114 усилителя.

Транзистор 113 сброса открывается параллельно и одновременно с транзистором 112 передачи для вытягивания электронов, содержащихся в фотодиоде 111, в источник питания так, чтобы пиксель был сброшен в темновое состояние перед состоянием накопления электронов, то есть в состояние, в котором фотон не поступает.

Такая схема и механизм работы пикселей аналогичны аналоговому пикселю и также как и в аналоговом пикселе могут иметь различные виды изменений.

Однако в то время как аналоговый пиксель выводит как аналоговый сигнал общую сумму входных фотонов, цифровой пиксель выводит в цифровой форме присутствие/отсутствие одиночного входного фотона.

Поэтому принципы проектирования аналогового пикселя и цифрового пикселя отличаются друг от друга.

Во-первых, цифровой пиксель должен генерировать достаточно большой электрический сигнал для одиночного входного фотона.

В схеме пикселя с усилителем на транзисторе, как показано, например, на фиг.4, желательно сделать как можно меньшей паразитную емкость во входном узле 116 транзистора 114 усилителя, который составляет истоковый повторитель.

Желательно поддерживать амплитуду выходного сигнала относительно одиночного входного фотона существенно большей, чем случайные шумы транзистора 114 усилителя.

Поскольку выходной сигнал цифрового пикселя не нуждается в точности, линейности и диапазоне работы аналогового пикселя, можно использовать низкое напряжение, аналогичное требуемому для цифровой схемы, для источника питания входа-выхода истокового повторителя. Кроме того, фотодиод, возможно, должен иметь минимальную емкость накопления заряда.

Датчик 100 изображения CMOS в соответствии с вариантом выполнения выполнен с возможностью иметь упомянутые выше первую, вторую и третью характерные структуры следующим образом.

У датчика 100 изображения CMOS есть блок 110 матрицы пикселей и блок 120 чувствительной схемы, соединенные как многослойная структура, с использованием разных полупроводниковых подложек. Датчик 100 из