[发明专利]成像器件和相机系统

说明书

技术领域

本发明涉及比如CMOS图像传感器之类的成像器件和相机系统。

背景技术

近来，CMOS图像传感器已经广泛用于数码相机、可携式摄像机、监视器相机等，并且CMOS图像传感器的市场已经扩张。

CMOS图像传感器中的每个像素使用作为光电转换器件的光电二极管将输入光转换为电子，在给定时段存储电子，并且然后将反映所存储的电荷量的信号输出到并入芯片中的模拟-数字(AD)转换器。AD转换器数字化要输出到外部的信号。

CMOS图像传感器具有这种以矩阵形式布置的成像像素。

图1是示出作为固态成像器件的CMOS图像传感器10的典型芯片配置的图。

CMOS图像传感器10具有像素阵列部分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和传送线18。

像素阵列部分11具有在行方向和列方向上以矩阵形式布置的多个像素PX。垂直信号线17由在行方向上对齐的多个像素PX共享，并且连接到与每列相关联地排列的AD转换器13。

行驱动电路12仅选择多行之一，并且使得控制线16逐行地从像素PX读取所存储的电荷。

行控制线16由单条控制线或多条控制线形成，用于逐行地从这样的像素读取所存储的电荷，或者复位各像素。

复位在这里意味着从像素放电所存储的电荷以便将像素设置回曝光之前的状态的操作，并且紧接在读取每行像素之后或在初始化曝光时执行为快门操作。

在读取所存储的电荷时，经由垂直信号线17传送到AD转换器13的模拟信号被转换为数字信号，经由开关14又将该数字信号顺序地传送到输出电路15，以便输出到位于芯片内部或外部的图像处理设备(未示出)。

当在CMOS图像传感器10中完成读取一行像素时，选择下一行，并且重复类似的电荷读取、AD转换和信号输出。完成对所有行的处理完成了图像数据的一帧的输出。

可以在输出级之前的某处提供保持电路或锁存器，用于为电荷读取、AD转换和信号输出提供流水线(pipeline)，但是CMOS图像传感器仍不能执行多于一行的图像数据。

完成处理每行数据所需的时间限制了动态图像的帧速率的上限。

JP-A-2002-44527(专利文献1)和JP-A-2006-49361(专利文献2)已经提出了具有层叠的像素和AD转换器的图像传感器。

图2是具有层叠的像素和AD转换器的CMOS图像传感器10A的概念图。

为了帮助理解该概念，将相同的附图标记给予如图1所示的相同组件。

图2中的CMOS图像传感器10A具有分别排列在阵列中的不同半导体基底上的像素PX和AD转换器13。两个半导体基底相互层叠，其中每个像素通过模拟信号线17连接到各个AD转换器。

使用这样的架构可以确保每次从多行像素读取电荷，并且逐行的AD转换的并行执行。

将转换之后的数据临时传送到存储器19，以便传送到位于芯片内部或外部的图像处理设备(未示出)。

采用这样的层叠结构可以显著地改进至少在成像芯片中的成像速度，从而确保超快的帧成像。

此外，高精度晶片粘附技术的开发最近已经吸引了相当多的注意。例如，JP-A-2007-234725(专利文献3)和JP-A-2006-191081(专利文献4)描述了彼此相对地粘附后发光型图像传感器和安装电路的基底，并且经由金属焊盘在之间传送信号的技术。

该技术使得可以在晶片级制造中制备如图2所示的层叠结构，并且将像素连接到AD转换器而不为每个芯片实现凸块连接(bump connection)。

因为该技术允许在晶片级制造之后剪裁各个芯片，所以适于微处理并且相当便宜。

JP-A-7-67043(专利文献5)已经提出一种以时分方式计数光子的新方案。

根据该计数方案，多次重复执行在给定时段中输入到光电二极管的光子的存在/不存在的二元判决，并且累积判决结果以获取二维成像数据。

也就是说，感测给定时段中来自光电二极管的信号，并且连接到每个像素的计数器加1计数，而无论当在该时段中输入的光子的数目等于或大于1时输入光子的数目如何。

如果光子输入的频率沿着时间轴是随机的，则输入光子的实际数目和计数数目符合泊松分布，使得当入射频率低时该数目具有基本上线性的关系，并且当入射频率高时可以在任何情况下校正。

因为使用这种时分光子计数的图像传感器将从像素输出的数据总是处理为数字数据，所以不出现源自模拟信号的传输和放大的随机噪声或固定噪声。