[发明专利]图像传感器、电子系统和用于控制图像传感器的方法

说明书

相关申请的交叉参考 

本申请要求于2009年10月1日向日本专利局提交的日本优先权专利申请2009-229893的优先权，根据法律允许的范围，该文献的全部内容可在本申请中参考使用。 

技术领域

本发明涉及例如CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体)图像传感器等摄像装置以及使用了该摄像装置的照相机系统。 

背景技术

近些年来，在医疗领域以及生物技术领域中，已研发了用于测量由生物体或从生物体发出的微量光和荧光的技术以及用于摄像的技术。 

另外，已将透射摄像技术应用于医疗和安全领域中的产品。根据透射摄像技术，通过闪烁器将通过观察物体的微量X射线转换为在可视水平下的光子，随后，检测光子以便在观察时形成物体的图像。 

在这些领域中进行的摄像过程中，使用光子计数器来测量微量光。 

通常，光子计数器是一种使用雪崩二极管或光电倍增管的简单装置。 

起到光子计数器作用的装置能够将入射到该装置的光接收表面上的每个光子均转换为光电子，并且，通过电场使光电子加速，从而特别是通过由于碰撞形成的二次电子发生使光电子的数量倍增。随后，该装置通过光电子产生电压脉冲。 

在任意时间与起到光子计数器作用的装置相连的计数装置对电压脉冲数进行计数。 

光子计数器具有允许光子计数器能够检测每个光子的优良的测量精度。但是，在价格方面，使用了光子计数器的系统的价格昂贵，并且， 测量过程的动态范围较窄。 

通常，能够利用光子计数器测量的光电子的数量为大约1百万～1千万。 

另一方面，对于具有较大范围的测量光量的摄像过程而言，要使用光电二极管和AD(Analog to Digital，模拟数字)转换器。 

光电二极管用于累积由光电转换处理所获得的电荷并且用于产生模拟信号。随后，AD转换器将模拟信号转换为数字信号。 

但是，上述摄像过程会产生多个问题。其中的一个问题为在模拟信号传送时产生的噪声。另一个问题为AD转换器的速度。 

在检测较少量的光时，必须减小所产生的噪声并增大AD转换的位数，以便改善数字信号的分辨率。因此，需要具有非常高的转换速度的AD转换器。另外，为了改善所摄图像的分辨率，必须增加图像的像素数量。因此，用于AD转换的系统的尺寸很大。 

更多的信息参见日本专利公开文献No.1995-67034以及No.2004-193675(在下文中，分别将它们称为专利文献1和2)。 

事实上，拍摄发出微弱光的图像的操作必须通过减小在操作中产生的噪声并以高精度检测光才能实现，并且，该操作还必须以较大的动态范围来进行。 

但是，并没有能够完全满足这些要求的装置。 

在试图减小例如由X射线摄像操作引起的沾染量时，需要与光子计数器相同水平的精度。但是，使用普通的光子计数器并不能满足对摄像操作来说充足的动态范围。 

另外，为了提高分辨率，要求一种包括计数装置的多像素系统。但是，这种系统非常昂贵。 

另一方面，如在专利文献1中披露的那样，提出了一种用于以时分(time-division)为基础对光子数进行计数的新技术。 

根据该技术，形成二进制值作为判定在预先确定的时间段内有无入射光子击中光电二极管的结果。对每个光电二极管均进行用于形成二进 制值的处理，并且对这些值求积分以提供二维摄像数据。 

即，在预先确定的各个时间段内检测由光电二极管产生的信号，并且，如果在该时间段内由信号表示的入射至光电二极管上的光子数量至少为1，则无论入射至光电二极管上的光子数量如何，连接至与光电二极管对应的像素的计数器均以1为单位向上计数。 

如果光子入射至光电二极管上的频率沿时间轴随机变化，则实际的入射光子的数量以及计数器内容遵循泊松分布(Poisson distribution)。因此，对于低频率的光子入射而言，实际入射光子的数量与计数器内容之间的关系为线性。即使频率较高，仍能够以均匀的方式校正实际入射光子的数量与计数器内容之间的关系。 

但是，根据在专利文献1中披露的技术，每个像素均需要检测电路和计数器，以致像素的开口面积必然非常小。 

更早提到的专利文献2提出这样的结构：采用基于时分的计数技术并且在每个像素均要求检测电路和存储器的像素阵列外侧设置计数器。