УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И СИСТЕМА КАМЕРЫ Российский патент 2015 года по МПК H04N5/335 

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

Измерение или формирование изображений слабой люминесценции или флюоресценции, излучаемой из тела, стали чрезвычайно активными в области медицины или биотехнологии в последние годы.

В области медицины или в области безопасности получила промышленное применение технология преобразования малых количеств рентгеновских лучей, переданных через тело, в фотоны видимого уровня через сцинтиллятор и детектирование их для получения изображений на просвет. Кроме того, в области медицины или безопасности получила промышленное применение технология (например, SPECT или PET) преобразования γ-лучей, генерируемых малым количеством излучающего материала, введенного в тело человека, в фотоны через сцинтиллятор.

При формировании изображений в такой области используют счетчик фотонов для очень малого количества света.

Как правило, счетчик фотонов представляет собой отдельное устройство, использующее лавинный диод или трубку фотоумножителя.

Такой счетчик фотонов генерирует импульс напряжения на выходе в результате преобразования фотонов, падающих на поверхность приема света, в фотоэлектроны, ускорения фотоэлектронов высоким напряжением, и умножения их путем генерирования вторичных электронов в результате столкновений.

Количество импульсов измеряется устройством счетчика, которое постоянно подключено к устройству.

В то время как счетчик фотонов обладает высокой точностью измерений и позволяет детектировать до одного фотона, система является дорогостоящей, и динамический диапазон измерений также узок.

Обычно количество фотонов, которое можно измерять счетчиком по одному фотону, составляет приблизительно от 1 миллиона до 10 миллионов за 1 секунду.

С другой стороны, для формирования изображения в диапазоне относительно большого количества света, которое требуется измерить, используют фотодиод и аналого-цифровой (AD) преобразователь.

Фотодиод накапливает заряды электрода, преобразованные фотоэлектрически, и выводит аналоговый сигнал. Этот аналоговый сигнал преобразуют в цифровой сигнал с помощью AD преобразователя.

Проблемы при таком формировании изображений представляют собой шумы, вызванные передачей аналогового сигнала, и скорость преобразования AD преобразователя.

Для детектирования малого количества света, необходимо подавлять шумы и также увеличивать количество битов при AD преобразовании для тонкой дискретизации. Однако с этой целью необходим высокоскоростной AD преобразователь. Кроме того, если компоновка будет выполнена с большим количеством пикселов, для улучшения разрешения при формировании изображений, размер системы для AD преобразования значительно увеличивается.

Сущность изобретения

В принципе, низкий уровень шумов и высокоточное оптическое детектирование и большой динамический диапазон одновременно необходимы для формирования изображений при малых количествах света.

Однако не существует устройство, которое удовлетворяет всем этим требованиям.

Например, для уменьшения величины экспозиции при формировании рентгеновского изображения, необходима точность, эквивалентная уровню счетчика фотонов. В нормальном счетчике фотонов, однако, нет возможности получить достаточный динамический диапазон для формирования изображения.

Кроме того, большое количество пикселов необходимо для улучшения разрешения. В этом случае, однако, система, включающая в себя устройство-счетчик, является очень дорогостоящей.

С другой стороны, в JP-A-1995-67043 предложен новый способ подсчета фотонов, используя разделение времени.

Он предназначен для получения данных для формирования двумерного изображения путем выполнения двоичного определения, независимо от того, произошел или нет случай падения фотона на фотодиод в фиксированный период, и интегрирования результатов, полученных путем повторения двоичного определения множество раз.

Таким образом, сигнал от фотодиода определяют каждый фиксированный период, и счетчик, подключенный к каждому пикселу, выполняет подсчет до 1, независимо от количества падающих фотонов, если количество фотонов, падающих в течение этого периода, составляет 1 или больше.

Если частота падающего фотона является случайной на временной оси, взаимосвязь между фактическим количеством падающих фотонов и величиной подсчета соответствует распределению Пуассона. Соответственно, оно принимает приблизительно линейную взаимозависимость, при низкой частоте падений, и однородная коррекция может быть выполнена, если частота падения высокая.

Однако в соответствии с технологией, раскрытой в JP-A-1995-67043, площадь апертуры пиксела чрезвычайно уменьшается, поскольку чувствительная схема и счетчик необходимы для каждого пиксела.

В JP-A-2004-193675 предложена конфигурация, в которой счетчики расположены за пределами матрицы пикселов, применяя при этом описанный выше способ подсчета с разделением времени. Однако, чувствительная схема и запоминающее устройство все еще необходимы для каждого пиксела.

Счетчик предусмотрен для каждого пиксела, даже если счетчик предусмотрен снаружи от матрицы пикселов. В соответствии с этим, размер цепей микросхемы неизбежно увеличивается.

Кроме того, для увеличения динамического диапазона при формировании изображений в конфигурации, раскрытой в JP-A-1995-67043 или в JP-A-2004-193675, необходимо выполнять тонкую дискретизацию в течение периода падения фотонов на оси времени и увеличивать скорость доступа к пикселу.

Таким образом, желательно обеспечить устройство формирования изображения и систему камеры, обеспечивающие возможность формирования изображений или измерение при низкой интенсивности, с меньшим уровнем шумов, даже при низкой освещенности и с широким динамическим диапазоном.

Вариант осуществления настоящего изобретения направлен на устройство формирования изображения, включающее в себя: блок матрицы пикселов, функционирующий как блок приема света, который включает в себя устройства фотоэлектрического преобразования, и в котором множество пикселов, которые выводят электрические сигналы, когда падают фотоны, расположены в виде матрицы; блок чувствительной схемы, в котором множество чувствительных схем расположены в виде матрицы, которые принимают электрические сигналы из пикселов и выполняют двоичное определение, в зависимости от того, произошло или нет падение фотонов на пикселы в течение заданного периода; и блок схемы интегрирования результата определения, имеющий функцию интегрирования множества результатов определения чувствительных схем для соответствующих пикселов или для каждой группы пикселов. Блок схемы интегрирования результата определения выводит количество попавших фотонов на блок приема света путем выполнения подсчета фотонов для интегрирования множества результатов определения во множестве пикселов.

Другой вариант осуществления настоящего раскрытия направлен на систему камеры, включающую в себя: устройство формирования изображения; оптическую систему, которая формирует изображение субъекта на устройстве формирования изображения; и схему обработки сигналов, которая обрабатывает сигнал выходного изображения устройства формирования изображения. Устройство формирования изображения включает в себя: блок матрицы пикселов, выполняющий функцию блока приема света, который включает в себя устройства фотоэлектрического преобразования, и в которых множество пикселов, которые выводят электрические сигналы, когда падают фотоны, расположены в виде матрицы; блок чувствительной схемы, в котором множество чувствительных схем, которые принимают электрические сигналы из пикселов и выполняют двоичное определение в отношении того, произошло или нет падение фотонов на пикселы в течение заданного периода, расположены в виде матрицы; и блок схемы интегрирования результата определения, имеющий функцию интегрирования множества результатов определения чувствительных схем для соответствующих пикселов или для каждой группы пикселов. Блок схемы интегрирования результата определения выводит количество фотонов, падающих на блок приема света, путем выполнения подсчета фотонов, для интегрирования множества результатов определения во множестве пикселов.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего раскрытия, становится возможным обеспечить формирование изображений или измерение интенсивности света с меньшим уровнем шумов, даже при низкой освещенности и с широким динамическим диапазоном, делая аналоговый сигнал ненужным, без уменьшения светосилы пиксела.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан вид, представляющий пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего раскрытия;

на фиг.2 показан концептуальный вид, представляющий блок приема света в настоящем варианте выполнения;

на фиг.3 показан вид, представляющий взаимосвязь между средним числом раз падения фотонов на решетку с единичным квадратом ячейки сетки блока приема света, который показан на фиг.2, и средним количеством подсчетов;

на фиг.4 показан вид, представляющий пример конфигурации схемы пиксела в настоящем варианте выполнения;

на фиг.5 показан вид для пояснения циклического доступа к блокам пикселов в первом варианте осуществления;

на фиг.6 показана принципиальная схема, представлявшая пример чувствительной схемы, имеющей функцию самоотносимости;

на фиг.7А - 7F показаны временные диаграммы для пояснения примера операции считывания, используя чувствительную схему, имеющую функцию самоотносимости, показанную на фиг.6, в примере пиксела на фиг.4;

на фиг.8 показан вид для пояснения второго варианта осуществления настоящего раскрытия, и также вид, представляющий пример конфигурации блока пикселов, соответствующего первому варианту осуществления, используя фотодиод типа внутреннего усиления;

на фиг.9А и 9В показаны концептуальные виды устройства формирования изображения, когда устройство формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения настоящего раскрытия применяют для формирования изображений СТ (компьютерной томографии);

на фиг.10 показан вид, представляющий пример устройства линейного формирования изображения, в котором устройства формирования изображения (устройства приема света) в соответствии с вариантом выполнения настоящего раскрытия выстроены в одномерной линейной форме;

на фиг.11 показан вид, представляющий пример непроницаемой для ионизирующего излучения защиты устройства формирования изображения (устройства приема света) в соответствии с вариантом выполнения настоящего раскрытия;

на фиг.12 схематично показаны виды, представляющие пример оценки направления падения излучения при одновременном детектировании фотонов;

на фиг.13 показан вид, представляющий пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего раскрытия;

на фиг.14 показан вид для пояснения разрешения по времени при детектировании фотона, используя устройство формирования изображения в соответствии с четвертым вариантом осуществления;

на фиг.15 показан вид, представляющий пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего раскрытия;

на фиг.16 показан вид для пояснения разрешения по времени для детектирования фотона, используя устройство формирования изображения в соответствии с пятым вариантом осуществления; и

на фиг.17 показан вид, представляющий пример конфигурации системы камеры, в которой применено твердотельное устройство формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения настоящего раскрытия.

Подробное описание изобретения

Ниже, со ссылкой на приложенные чертежи, будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.

Кроме того, пояснение будет представлено в следующем порядке.

1. Общее описание свойств устройства формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления

2. Первый вариант осуществления (первая примерная конфигурация устройства формирования изображения)

3. Второй вариант осуществления (вторая примерная конфигурация устройства формирования изображения)

4. Третий вариант осуществления (пример приложения устройства формирования изображения)

5. Четвертый вариант осуществления (третья примерная конфигурация устройства формирования изображения)

6. Пятый вариант осуществления (четвертая примерная конфигурация устройства формирования изображения)

7. Шестой вариант осуществления (система камеры)

<1. Общее описание свойств устройства формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления>

В настоящем варианте осуществления оптимальная конфигурация устройства формирования изображения (датчик изображения CMOS), в качестве полностью цифрового датчика изображения с использованием подсчета фотонов, реализована в области параллельного считывания с высокой скоростью.

Вначале каждый пиксел выводят, в случае падения фотона в пределах определенного периода, как электрический сигнал. Чувствительная схема принимает результат множество раз в течение периода 1 кадра и выполняет определение на основе двоичного значения. Устройство формирования изображения генерирует данные серой шкалы, например, путем интегрирования для каждого пиксела.

Устройство формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления имеет следующие характеристики, основанные на такой основной конфигурации.

Подсчет фотонов с разделением по времени делает ненужным постоянное отслеживание генерирования импульса падающим фотоном в системе, путем замены процесса детектирования фотона повторяющимся детектированием в течение фиксированного цикла.

Фокусируясь на этом, в настоящем варианте осуществления, прежде всего, не была принята конфигурация, в которой каждый пиксел имеет отдельную чувствительную схему и отдельный счетчик, и эти три компонента расположили иерархически.

Таким образом, в настоящем варианте осуществления множество пикселов совместно использует одну чувствительную схему, или множество чувствительных схем совместно используют одну схему подсчета, при условии подсчета фотонов с разделением по времени.

В настоящем варианте осуществления, например, множество пикселов, которые совместно используют чувствительную схему, циклически считывают и выполняют экспонирование в течение периода от последнего считывания до текущего считывания. В соответствии с этим, описанное выше совместное использование не оказывает неблагоприятное влияние на время экспозиции.

Кроме того, также возможно начать следующее экспонирование в ходе обработки подсчета при определении результатов и при выполнении обработки по сохранению данных в запоминающем устройстве. Поэтому, хотя время, требуемое для обработки подсчета, увеличивается, поскольку множество чувствительных схем, совместно использует один счетчик, это не оказывает неблагоприятное влияние на время экспозиции.

Кроме того, в настоящем варианте осуществления, динамический диапазон подсчета фотонов расширяется, благодаря суммированию результатов подсчета для множества пикселов.

Суммирование между пикселами, которые совместно используют один счетчик, может выполняться очень легко, путем сохранения результатов разных пикселов по одному и тому же адресу запоминающего устройства.

Кроме того, установлена функция получения суммарного количества падающего света путем суммирования всех результатов подсчета в блоке приема света. Например, она может быть легко реализована путем предоставления дополнительного сумматора рядом с блоком вывода данных.

Кроме того, в результате предоставления таких устройств приема света в качестве единичных пикселов линейно в одной матрице, становится возможным детектировать очень малое количество света и формировать изображения с широким динамическим диапазоном.

В соответствии с настоящим вариантом осуществления, если принять конфигурацию, описанную выше, становится возможным существенно уменьшить размер схемы, необходимой для подсчета фотонов. Поэтому, используя технологию миниатюризации для полупроводникового устройства формирования изображения, может быть выполнен подсчет фотонов с высокой эффективностью, используя множество пикселов.

Динамический диапазон при подсчете фотонов определяется общим количеством ячеек сетки при одновременном использовании множественного разделения в направлении времени и множественного разделения по поверхности падения, и каждая из ячеек сетки имеет двоичное значение.

Разрешающая способность ячеек сетки и динамический диапазон количества подсчетов увеличиваются в ходе одновременного развития технологии миниатюризации при производстве полупроводников и повышении скорости.

Хотя точное детектирование интенсивности света или точное формирование изображений возможны с использованием только одного устройства формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления, точное формирование изображений с более широким динамическим диапазоном становится возможным путем разделения на массивы множества устройств формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления, в качестве единичных устройств приема света.

Поскольку каждое устройство приема света имеет функцию счетчика, такая система может быть легко построена, без использования дорогостоящего внешнего устройства.

Кроме того, поскольку каждое устройство приема света выполняет полный цифровой подсчет, который непосредственно относится к количеству самих падающих фотонов, вариации чувствительности между устройствами приема света, наблюдаемые в типичном аналоговом устройстве формирования изображения, маловероятны. Таким образом, регулировки чувствительности между устройствами приема света становятся не нужными.

Например, если устройство формирования изображения в соответствии с настоящим вариантом осуществления используется вместе со сцинтиллятором для формирования изображений на просвет, используя малое количество рентгеновских лучей, может быть выполнено формирование изображений с высокой точностью и высоким разрешением при низкой экспозиции, и стоимость такой системы будет очень низкой.

Ниже будет подробно описан датчик изображения CMOS, который представляет собой устройство формирования изображения, в соответствии с настоящим вариантом осуществления, имеющий описанные выше характеристики.

<2. Первый вариант осуществления>

На фиг.1 показан вид, представляющий пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего раскрытия.

[Структура общей конфигурации]

Датчик 100 изображения CMOS включает в себя блок 110 матрицы пикселов, блок 120 чувствительной схемы, группу 130 линий выходного сигнала, группу 140 линий передачи и блок 150 схемы интегрирования результата определения.

В датчике 100 изображения CMOS, множество пикселов совместно используют одну чувствительную схему, как будет описано ниже.

В соответствии с этим, датчик 100 изображения CMOS включает в себя блоки 160-0-160-3, …, пикселов каждый из которых включает в себя множество пикселов DPX в одном столбце, и схему выбора.

Кроме того, датчик 100 изображения CMOS включает в себя группу 180 линий управления в строке и задающую схему 170 в строке для возбуждения пиксела DPX блока 110 матрицы пикселов для вывода электрического сигнала пиксела DPX в линию 131 выходного сигнала.

В блоке 110 матрицы пикселов, множество цифровых пикселов DPX расположены в матрице, в направлениях столбца и строки.

Каждый цифровой пиксел DPX имеет устройство фотоэлектрического преобразования, и имеет функцию вывода электрического сигнала при падении фотона.

Кроме того, как описано выше, каждый из блоков 160-0-160-3, … пикселов сформирован множеством пикселов DPX в одном столбце и схемой выбора.

Датчик 100 изображения CMOS имеет блок 200 схемы, который генерирует данные двумерного изображения с градацией, например, путем определения двоичного значения электрического сигнала, передаваемого через линию 131 выходного сигнала в течение фиксированного периода, путем интегрирования результатов измерения времени множество раз для каждого пиксела, и суммирования результатов подсчета множества пикселов.

Датчик 100 изображения CMOS выводит количество фотонов, попавших на блок 110 матрицы пикселов, который представляет собой блок приема света, путем интегрирования результатов определения, полученных множество раз для множества пикселов, в настоящем варианте осуществления, для множества пикселов в единицах блоков 160-0 к 160-3, … пикселов.

Датчик 100 изображения CMOS имеет функцию расширения динамического диапазона преобразования фотонов путем суммирования результатов подсчета для множества пикселов.

Блок 110 матрицы пикселов, блок 120 чувствительной схемы и блок 150 схемы интегрирования результата определения расположены в блоке 200 схемы.

В блоке 120 чувствительной схемы, чувствительные схемы 121-0, 121-1, 121-2, 121-3, … расположены в виде матрицы, в соответствии с блоками 160-0-160-3, … пикселов блока 110 матрицы пикселов, соответственно.

Вход чувствительной схемы 121-0 соединен с линией 131-0 выходного сигнала, с которой совместно соединены выходы всех пикселов DPX-00, DPX-10, … и DPX-p0, которые формируют блок 160-0 пикселов.

Таким образом, множество пикселов DPX-00-DPX-p0 совместно используют одну чувствительную схему 121-0.

Кроме того, количество пикселов в каждом блоке 160 пикселов (160-0-160-3) устанавливают равным, например, 128. В этом случае, р изменяется от 0 до 127, и блок 160-0 пикселов включает в себя пиксели от DPX-00 до DPX1270.

Вход чувствительной схемы 121-1 соединен с линией 131-1 выходного сигнала, с которой совместно соединены выходы всех пикселов DPX-01, DPX-11, … и DPX-p1, которые формируют блок 160-1 пикселов.

Таким образом, множество пикселов от DPX-01 до DPX-p1 совместно используют одну чувствительную схему 121-1.

Блок 160-1 пикселов включает в себя 128 пикселов, например, от DPX-01 до DPX1271.

Вход чувствительной схемы 121-2 соединен с линией 131-2 выходного сигнала, с которой совместно соединены выходы всех пикселов DPX-02, DPX-12, …, DPX-p2, которые формируют блок 160-2 пикселов.

Таким образом, множество пикселов от DPX-02 до DPX-p2 совместно используют одну чувствительную схему 121-2.

Блок 160-2 пикселов включает в себя 128 пикселов, например, от DPX-02 до DPX1272.

Вход чувствительной схемы 121-3 соединен с линией 131-3 выходного сигнала, с которой совместно соединены выходы всех пикселов DPX-03, DPX-13, …, DPX-р3, которые формируют блок 160-3 пикселов.

Таким образом, множество пикселов от DPX-03 до DPX-р3 совместно используют одну чувствительную схему 121-3.

Блок 160-3 пикселов включает в себя 128 пикселов от DPX-03 до DPX1273, например.

В блоке 120 чувствительной схемы, также для других блоков пикселов (не показаны), чувствительные схемы расположены так, чтобы они совместно использовались множеством пикселов.

Блок 150 схемы интегрирования результата определения имеет функцию многократного генерирования двумерных данных формирования изображений с градацией, например, путем интегрирования результатов определения чувствительных схем от 121-0 до 121-3 для каждого пиксела и суммирования результатов подсчета множества пикселов.

Блок 150 схемы интегрирования результата определения имеет функцию вывода количества падений фотонов на блок 110 матрицы пикселов, который представляет собой блок приема света, путем интегрирования результатов определения, полученных множество раз для множества пикселов, в настоящем варианте осуществления, для множества пикселов в единицах блоков от 160-0 до 160-3, … пикселов.

Блок 150 схемы интегрирования результата определения имеет регистры от 151-0 до 151-3, схему 152 выбора, схему 153 подсчета и запоминающее устройство 154.

Регистры от 151-0 до 151-3 содержат значения определения соответствующих чувствительных схем от 121-0 до 121-3, передаваемых через линии 141-0-141-3 передачи.

Схема 152 выбора последовательно выбирает выходы регистров от 151-0 до 151-3, для подачи значений определения, которые содержаться в соответствующих регистрах от 151-0 до 151-3, в схему 153 подсчета.

Схема 153 подсчета выполняет обработку подсчета для значений определения множества пикселов (4 пиксела в данном примере), которые выбирают с помощью схемы 152 выбора после считывания в результате выбора строки, и сохраняет результат подсчета для каждого пиксела в запоминающем устройстве 154.

Затем схема 153 подсчета суммирует результаты подсчета множества пикселов и сохраняет этот результат суммирования в запоминающем устройстве 154.

Данные пикселов во время последнего считывания загружают из запоминающего устройства 154 в схему 153 подсчета.

В первом варианте осуществления блок 150 схемы интегрирования результата определения включает в себя одну схему 153 подсчета и множество регистров от 151-0 до 151-3 совместно используют эту схему 153 подсчета.

Другими словами, датчик 100 изображения CMOS в соответствии с первым вариантом осуществления совместно использует схему 153 подсчета среди множества чувствительных схем от 121-0 до 121-3.

Датчик 100 изображения CMOS, в соответствии с настоящим вариантом осуществления, выполнен так, чтобы он имел описанную выше характерную конфигурацию.

Таким образом, датчик 100 изображения CMOS выполнен так, чтобы совместно использовать чувствительную схему между множеством пикселов для циклического доступа, таким образом, что может быть обеспечено время экспозиции, и может быть выполнен пиксел с малыми размерами.

Кроме того, поскольку множество чувствительных схем совместно используют схему подсчета, становится возможным формировать датчик 100 изображения CMOS с оптимальным размером схемы и скоростью обработки.

Датчик 100 изображения CMOS имеет функцию расширения динамического диапазона при подсчете фотонов, путем суммирования результатов подсчета множества пикселов.

Здесь основные концепции приема света и подсчета фотонов блоком 300 приема света, который формируют блоком 110 матрицы пикселов в блоке 200 схемы датчика 100 изображения CMOS в соответствии с настоящим вариантом осуществления, будет описан со ссылкой на фиг.2 и 3.

На фиг.2 показан концептуальный вид, представляющий блок 300 приема света в настоящем варианте осуществления.

На фиг.3 показан вид, представляющий взаимосвязь между средним количеством раз падения фотонов на решетку с единичным квадратом ячейки сетки блока приема света, которая показана фиг.2, и средним количеством величин подсчета.

Кроме того, на фиг.2, изначально двумерная поверхность приема света выражена в одномерном виде для упрощения.

Подсчет фотонов выполняют путем формирования трехмерных ячеек MSH сетки в блоке 300 приема света, используя поверхность 310 приема света, разделенную на равные расстояния, и по временной оси t, разделенной на равные расстояния (выраженную в двумерном виде на фиг.2).

Каждая ячейка MSH сетки имеет двоичное значение. Таким образом, блок 120 чувствительной схемы определяет, попал или нет один или больше фотонов в каждую ячейку сетки MSH. В этом случае, например, "1" определяют независимо от количества попавших фотонов, если здесь присутствует попадание, и "0" определяют, в случае отсутствия попадания. На фиг.2 блок ячеек сетки, соответствующий "1", представлен толстой рамкой. Кроме того, номером IVT ссылочной позиции на фиг.2 обозначено событие попадания фотона.

Кроме того, общее количество "1" подсчитывают с помощью блока 150 схемы интегрирования результата определения и затем сохраняют в запоминающем устройстве 154.

Здесь, предполагая, что фотоны падают, соответственно, равномерно относительно временной оси t, с флуктуациями, и они также падают, соответственно, однородно в направлении поверхности, взаимосвязь между общим количеством величин подсчетов и фактическим количеством упавших фотонов соответствует распределению Пуассона.

На фиг.3 показан вид, представляющий взаимосвязь между средним количеством раз падения фотонов на решетку CL с единичным квадратом ячейки сетки и средним количеством подсчетов.

Как показано на фиг.3, количество раз падения, по существу, равно величине подсчета в области слабого света, в случае, когда среднее количество раз падения составляет 0,1 раз или меньше.

Кроме того, если среднее количество раз падения составляет 0,4 раза или меньше, взаимосвязь между количеством раз падения и числом подсчетов становится приблизительно линейной.

Таким образом, если общее количество решеток ячеек сетки MSH существенно больше, чем количество падающих фотонов, величина подсчета отражает количество упавших фотонов линейно, и при этом возможно осуществлять чрезвычайно точный подсчет.

Кроме того, становится возможным повысить точность подсчета путем расширения динамического диапазона, в результате сужения промежутков между ячейками сетки в направлении поверхности или по оси t времени, для повышения общего количества решеток.

Таким образом, используя технологию высокоскоростных схем и технологию миниатюризации при производстве полупроводников, становится возможным улучшить точность измерения фотонов и существенно расширить динамический диапазон в блоке 300 приема света.

Кроме того, следующая конфигурация является эффективной, когда падение света в направлении поверхности в значительной степени смещено локально, и количество падающего света относительно велико.

Точность измерения может быть улучшена путем разделения ячеек сетки в направлении поверхности на множество групп, формируемых одним или больше блоками решетки, расчета среднего количества величин подсчетов для решеток CL каждой группы, и выполнения коррекции в соответствии с распределением Пуассона.

В качестве альтернативы, также эффективно ослабить девиацию падающих фотонов в направлении поверхности, путем размещения оптического фильтра низкой частоты перед поверхностью 310 приема света. Кроме того, в случае детектирования рентгеновских лучей, используя сцинтиллятор, сам сцинтиллятор используется, как оптический фильтр низкой частоты, поскольку свет, излучаемый от сцинтиллятора, рассеивается при падении рентгеновского луча.

[Функция, относящаяся к цифровому пикселю]

Здесь будет описан пример конфигурации цифрового пиксела DPX.

Как описано выше, цифровой пиксел (ниже просто называется пикселом) DPX имеет устройство фотоэлектрического преобразования и выводит электрический сигнал во время падения фотона.

Поскольку датчик 100 изображения CMOS, в качестве устройства формирования изображения имеет функцию сброса и функцию считывания для пиксела DPX, становится возможным выполнить сброс и считывание в произвольные моменты времени.

Сброс относится к сбросу пиксела DPX в состояние, в котором не произошло падение фотона. Предпочтительно, каждый пиксел DPX включает в себя линзу на поверхности приема света или может дополнительно включать в себя цветной фильтр на поверхности приема света, когда это необходимо.

Хотя такая основная функция пиксела близка к функции нормального пиксела, точность или линейность, такие как для аналогового значения, не нужны для вывода данных.

Здесь будет описан пример конфигурации цифрового пиксела.

На фиг.4 показан вид, представляющий пример конфигурации схемы пиксела в настоящем варианте осуществления.

На фиг.4 показан пример схемы пиксела, включающий в себя три транзистора в одном модуле пиксела DPX.

Один модуль пиксела DPX включает в себя фотодиод 111, транзистор 112 передачи, транзистор 113 сброса, транзистор 114 усилителя, узел 115 накопления и узел 116 плавающей диффузионной области (FD).

Электрод затвора транзистора 112 передачи соединен с линией 181 передачи, используемой как линия управления строкой, и электрод затвора транзистора 113 сброса соединен с линией 182 сброса, используемой как линия управления строкой.

Электрод затвора транзистора 114 усилителя соединен с узлом 116 FD, и электрод истока транзистора 114 усилителя соединен с линией 131 выходного сигнала.

В пикселе DPX пара электрон и дырка генерируются при падении света на силиконовую подложку пиксела, и электроны накапливаются в узле 115 накопления с помощью фотодиода 111.

Их передают в узел 116 FD, путем открывания транзистора 112 передачи в заданные моменты времени, выполняя, таким образом, управление затвором транзистора 114усилителя.

В результате, заряд сигнала считывают как сигнал в линию 131 выходного сигнала.

Линия 131 выходного сигнала может быть заземлена через источник постоянного тока или резистивное устройство для работы в режиме истокового повторителя, или может быть заземлена перед считыванием и затем может находиться в плавающем состоянии таким образом, что будет выведен уровень заряда на основе транзистора 114 усилителя.

Транзистор 113 сброса сбрасывает пиксел в темное состояние перед накоплением, то есть, в состояние, в котором фотон не попал, путем удаления электронов, накопленных в фотодиоде 111 при включении одновременно с транзистором 112 передачи.

Такая схема или механизм работы пиксела является той же, что и у аналогового пиксела, и различного типа вариации могут быть выполнены аналогично аналоговому пикселю.

Однако цифровой пиксел выводит попадание одного фотона цифровым способом, в то время как аналоговый пиксел выводит общее количество попаданий множества фотонов аналоговым способом.

В соответствии с этим, цифровой пиксел и аналоговый пиксел имеют разную конструкцию.

Вначале, в случае цифрового пиксела, необходимо генерировать достаточно большой электрический сигнал при попадании одного фотона.

Например, в схеме пиксела с транзистором усилителя, показанным на фиг.4, предпочтительно, чтобы паразитная емкость узла 116 FD, который представляет собой входной узел транзистора 114 усилителя, который формирует истоковый повторитель, была установлена как можно меньшей.

Также в этом случае предпочтительно, чтобы амплитуда выходного сигнала при падении одного фотона поддерживалась достаточно большей, чем случайные шумы транзистора 114 усилителя.

С другой стороны, поскольку нет необходимости учитывать линейность, точность или рабочий диапазон в выходном сигнале пиксела, в отличие от аналогового пиксела, то же самое низкое напряжение, что и в цифровой схеме, можно использовать, например, в качестве источника питания входа-выхода истокового повторителя. Кроме того, емкость накопления заряда фотодиода, предпочтительно, устанавливают как можно меньшей.

Далее будет представлено обобщенное описание работы датчика 100 изображения CMOS в соответствии с первым вариантом осуществления.

Как описано выше, блок 160 пикселов (от 160-0 до 160-3, …) включает в себя 128 цифровых пикселов DPX и схему выбора. Схема выбора выбирает один из пикселов, для выполнения сброса или считывания.

В этом примере один пиксел в блоке 160 пикселов выбирают в соответствии с линиями 181 и 182 управления строкой, управляемыми задающей схемой 170 строки.

Во время считывания, выводят результат наличия или отсутствия падение фотона в выбранный пиксел как электрический сигнал в линии 131 (от 131-0 до 131-3, …) выходного сигнала и определяют двоичное значение с помощью чувствительной схемы 121 (от 121-0 до 121-3).

Например, чувствительная схема 121 (от 121-0 до 121-3) определяет "1", как значение определения, если свет падает на выбранный пиксел, и определяет "0", как значение определения, если свет не падает на выбранный пиксел и фиксирует это значение определения.

Значение определения чувствительной схемы 121 (от 121-0 до 121-3) вначале передают в регистр 151 (от 151-0 до 151-3).

Схема 153 подсчета совместно используется четырьмя блоками от 160-0 до 160-3 пикселов, и обработка подсчета четырех пикселов, считанных путем выбора строки, выполняется последовательно с помощью схемы 152 выбора.

Кроме того, результат подсчета для каждого пиксела сохраняют в запоминающем устройстве 154.

Таким образом, данные пиксела во время последнего считывания вначале выгружают из запоминающего устройства 154 в схему 153 подсчета.

В этом случае, схема 153 подсчета суммирует "1" со значением подсчета, если "1" сохранена в регистре 151 (от 151-0 до 151-3) и не обновляет величину подсчета, если сохранен "0".

Затем значение схемы 153 подсчета возвращают в запоминающее устройство 154, и обработка подсчета для одного пиксела заканчивается. Эту обработку выполняют последовательно для четырех пикселов.

В то время как выполняют такую обработку подсчета, блок 160 пикселов (от 160-0 до 160-3) и чувствительная схема 121 (от 121-0 до 121-3) могут выполнять считывание и определение следующей строки параллельно.

Например, такое цифровое считывание выполняют 1023 раза в один период кадра для формирования 10-битных данных серой шкалы для каждого пиксела.

В этом случае, схема 153 подсчета содержит 10 битов, и запоминающее устройство 154 имеет размер 5120 битов, поскольку каждый из "128×4" пикселов имеет 10-битные данные.

Таким образом, датчик 100 изображения CMOS работает, как счетчик фотонов, из которого сформирована матрица с уникальной конфигурацией.

В частности, размер схемы 153 подсчета или запоминающего устройства 154 изменяется в соответствии с вариантом применения.

Например, при формировании модуля формирования изображения размером "4 пиксела в ширину × 4 пиксела в длину", данные пикселов, включенных в каждый модуль формирования изображения, сохраняют по одному и тому же адресу в запоминающем устройстве 154.

Затем величину подсчета падения фотонов на 16 пикселов добавляют к схеме 153 подсчета через запоминающее устройство.

В этом случае, общее значение подсчета становится 16 раз, и 14 битов необходимо для схемы 153 подсчета.

С другой стороны, количество адресов в запоминающем устройстве 154 установлено равным 32/(1/16), и в каждом из них содержится 14-битное значение. Соответственно, необходимая емкость составляет 448 битов.

В качестве альтернативы, в случае подсчета только общего количества фотонов, падающих на всю поверхность приема света, нет необходимости обеспечивать запоминающее устройство, поскольку данные содержаться в схеме 153 подсчета.

В этом случае, 19 битов, соответствующих 10-битному подсчету для 512 пикселов, необходимы для количества битов, содержащихся в счетчике.

В качестве альтернативы, при изменении функции с двумерного формирования изображений всех пикселов на суммирование в соответствии с вариантом применения, 14 битов установлены для схемы 153 подсчета, и 14-битное запоминающее устройство 154 подготовлено для "128×4" пикселов. Кроме того, суммирование уровня блока 200 схемы установлено так, чтобы соответствовать суммированию "4×4".

Для суммирования всех пикселов предпочтительно вначале выполнить суммирование "4×4" с помощью блока 200 схемы, для подготовки отдельного сумматора в выходной схеме, и для расчета общей суммы, путем суммирования множества выходных значений из запоминающего устройства 154. В этом случае, поскольку пропускная способность сумматора выходного модуля составляет 1/16 от случая, когда не выполняют предварительное суммирование, нет необходимости обеспечивать высокоскоростную обработку.

Далее будет описан циклический доступ блоков пикселов в первом варианте осуществления.

На фиг.5 показан вид для пояснения циклического доступа блоков пикселов в первом варианте осуществления.

Здесь для простоты показан пример, в котором блок пикселов, сформированный из 16 пикселов, и одна чувствительная схема используются совместно.

К 16 пикселам, включенным в каждый блок 160 (от 160-0 до 160-3, …) пикселов выполняют последовательный, циклический доступ.

Предположим, что частота кадров составляет 1/30-секунды, и считывание каждого пиксела выполняют 1023 раза в течение этого времени, 1 цикл обработки блока составляет приблизительно 32 микросекунды. При этом необходимо закончить считывание 16 пикселов в течение этого времени.

Шкала времени по вертикальной оси на фиг.5 представляет собой время t, назначенное для доступа к каждому пикселу в блоке, и максимальная ширина составляет 2 микросекунды.

Кроме того, когда блок 160 (от 160-0 до 160-3, …) пикселов включает в себя 128 пикселов, в качестве примера, показанного на фиг.1, время доступа к каждому пикселу составляет 250 наносекунд.

Поскольку считывание данных из каждого пиксела и определение данных представляют собой простую операцию, аналогичную считыванию из полупроводникового запоминающего устройства, имеется достаточное количество допуска по времени в этот период времени.

При циклическом доступе, описанном выше, сброс RST и считывание RD каждого пиксела DPX выполняют циклически.

В этом случае, моменты времени доступа отличаются, в зависимости от каждого пиксела, но время для существенной экспозиции ЕХР от момента сброса RST до момента считывания RD равно для всех пикселов.

Поскольку время экспозиции может изменяться, путем изменения временных характеристик сброса RST в пределах диапазона цикла, возможно регулировать чувствительность, без влияния на другие операции схемы.

Например, если сброс RST будет установлен непосредственно после последнего считывания RD (та же шкала времени, что и при считывании) в каждом пикселе DPX, время экспозиции становится максимальным, и это соответствует формированию изображений субъекта при малой освещенности.

И, наоборот, если сброс RST будет установлен непосредственно перед считыванием RD (временная шкала перед однократным считыванием), время экспозиции становится самым коротким, и это соответствует формированию изображений субъекта с высокой освещенностью. Кроме того, если момент времени сброса изменять через несколько этапов на одной и той же временной шкале, время экспозиции можно выбирать более свободно.

Хотя обработка CNT подсчета выполняется последовательно после считывания RD, считывание следующего пиксела начинается параллельно.

Здесь, например, пиксел №4 считывают в момент времени t4, и выполняют сброс пиксела №1. Кроме того, параллельно с этим, выполняют обработку подсчета пиксела №3.

В этом примере считывание пиксела №4 и сброс пиксела №1 выполняют последовательно с разделением времени. В случае пиксела, показанного на фиг.4, который имеет отдельный механизм сброса в каждом пикселе, однако, считывание пиксела №4 и сброс пиксела №1 можно выполнять одновременно и параллельно, путем активации двух линий управления строками.

Как описано выше, датчик 100 изображения CMOS в соответствии с первым вариантом осуществления имеет иерархическую структуру, в которой множество пикселов DPX совместно используют чувствительную схему 121 (от 121-0 до 121-3), и регистр 151 (от 151-0 до 151-3), и множество чувствительных схем 121 (от 121-0 до 121-3) совместно используют схему 153 подсчета.

Каждая степень совместного использования может быть оптимизирована на основе взаимосвязей между временем доступа и площадью, занимаемой каждой схемой.

Кроме того, из блоков 200 схем, показанных на фиг.1, которые имеют блоки из четырех пикселов, может быть сформирована матрица с множеством этих блоков в горизонтальном направлении (направление размещения столбца).

Например, устройство приема света, включающее в себя "128×128" пикселов, может быть сформировано путем размещения в виде матрицы 32 блоков 200 схем параллельно, обеспечивая их параллельную работу. Оценка рабочих характеристик такого устройства приема света представлена ниже.

Предполагается, что формирование изображений из 10 битов каждого пиксела выполняют в 30 кадрах в секунду.

Когда значения подсчетов всех пикселов суммируют, и этот результат используют, как одиночную величину подсчета фотонов, максимальное значение общего количества величин подсчета фотонов в секунду рассчитывают, как "128×128×1023×30", что достигает 500 миллионов.

Даже если используется только линейная область распределения Пуассона, максимальное значение составляет 200 миллионов. Если выполнить коррекцию, также возможен подсчет за пределами этих величин.

Кроме того, как описано выше, такое устройство приема света можно использовать для двумерного формирования изображений в соответствии с его применением, и также можно использовать, как одиночное устройство приема света, для подсчета фотонов.

Можно легко изменять режим работы путем перезаписи внутреннего значения регистра снаружи. Изменение времени экспозиции, путем изменения момента времени сброса также программируется тем же способом.

Кроме того, как описано выше, цифровой пиксел, используемый в настоящем варианте осуществления, имеет устройство фотоэлектрического преобразования и имеет функцию вывода электрического сигнала в соответствии с падением фотона. Например, цифровой пиксел, используемый в настоящем варианте осуществления, выполнен, как показано на фиг.4.

Кроме того, для смещения выходных вариаций в пикселах, при считывании данных, считываемых из цифровых пикселов, желательно ввести следующую функцию самоотносимости в момент времени считывания.

Таким образом, выходной сигнал в состоянии сброса и выходной сигнал после экспозиции считывают из пиксела, и чувствительная схема суммирует значение смещения с любым из них и сравнивает сигнал, который получают в результате суммирования со значением смещения, с другим сигналом для выполнения двоичного определения.

На фиг.6 показана принципиальная схема, представляющая пример чувствительной схемы, имеющей функцию самоотносимости.

Чувствительная схема 121А, показанная на фиг.6, включает в себя переключатели SW121, SW122 и SW123, конденсаторы С121 и С122, инверторы IV121 и IV122 и линию L121 источника питания сигнала OFFSET смещения.

Вывод а переключателя SW121 соединен с первым выводом конденсатора С121 и первым выводом конденсатора С 122, и вывод b переключателя SW121 соединен с выводом SIG, который соединен с линией выходного сигнала.

Второй вывод конденсатора С 121 соединен со входным выводом инвертора Р/121, выводом переключателя SW122 и выводом переключателя SW123.

Второй вывод конденсатора С 122 соединен с линией инвертора L121 источника питания сигнала OFFSET смещения.

Выходной вывод инвертора IV121 соединен со входным выводом инвертора IV122 и выводом b переключателя SW122.

Выходной вывод инвертора IV122, соединен с выводом b переключателя SW123 и выходным выводом SAOUT.

Дальше будет описан пример операции считывания, используя чувствительную схему, имеющую функцию самоотносимости, которая показана фиг.6, в примере пиксела по фиг.4.

На фиг.7А-7F показаны временные диаграммы для пояснения примера операции считывания с использованием чувствительной схемы, имеющей функцию самоотносимости, которая показана фиг.6 в примере пиксела по фиг.4.

На фиг.7А показан импульс RESET сброса, подаваемый в линию 182 сброса на фиг.4, и на фиг.7В показан импульс READ считывания, подаваемый в линию 181 передачи на фиг.4.

На фиг.7С показано состояние ВКЛЮЧЕНИЯ/ВЫКЛЮЧЕНИЯ переключателя SW121, на фиг.7D показано состояние ВКЛЮЧЕНИЯ/ВЫКЛЮЧЕНИЯ переключателя SW122, на фиг.7Е показано состояние ВКЛЮЧЕНИЯ/ВЫКЛЮЧЕНИЯ переключателя SW123, и на фиг.7F показан сигнал OFFSET смещения.

Вначале переключатели SW121 и SW122 включают для подачи импульса RESET сброса в линию 182 сброса пиксела DPX, таким образом, что выходной сигнал пиксела в состоянии сброса считывают на входном выводе SIG.

Затем переключатель SW122 переключают в положение выключено для удержания выходного сигнала сброса.

Затем импульс READ подают в линию 181 передачи пиксела DPX, и выходной сигнал, который представляет собой результат экспозиции, выводят на вывод SIG для переключения в состояние выключено переключателя SW121.

Во время этого периода подаваемый сигнал смещения OFFSET поддерживают на уровне 0 В.

Затем уровень сигнала смещения OFFSET несколько увеличивают для добавления электрического потенциала смещения к сигналу считывания через конденсатор С122.

После этого выход в состоянии сброса сравнивают с выходом, полученным в результате суммирования малого значения смещения с сигналом считывания.

Когда фотон падает на пиксел, показанный на фиг.4, сигнал последнего имеет меньший электрический потенциал, чем сигнал предыдущего. Соответственно, "0" выводят на выходной вывод SAOUT.

Когда фотон не падает на пиксел, выводят "1" на выходной вывод SAOUT противоположно ситуации, в которой фотон падает на пиксел.

В конечном итоге, переключатель SW123 переключают в положение ВКЛЮЧЕНО для фиксации результата определения.

Такая функция самоотносимости смещает фиксированные шумы в каждом пикселе, которые возникают из-за вариаций порогового значения транзистора 114 усилителя, таким образом, что также становится возможным выполнить точное двоичное определение для малого сигнала. Кроме того, в описанной выше последовательности также происходит смещение уровня шумов kTC, возникающих во время сброса.

Кроме того, аналогичный эффект также можно ожидать при коррелированной двойной выборке (CDS), во время AD преобразования аналогового сигнала.

В этом случае, время, требуемое для двойного считывания и определения, фиксируется все время при считывании для двоичного определения. В соответствии с этим, влияние теплового шума или фликер-шумов транзистора усилителя пиксела или самой чувствительной схемы также можно уменьшить следующим образом.

Таким образом, поскольку шум в полосе низкой частоты часто накладывается аналогично при обоих считываниях, его влияние может быть смещено. Кроме того, шум в полосе высоких частот может ограничить чувствительность емкостной нагрузки чувствительной схемы.

В соответствии с этим, путем установки как можно большей емкостной нагрузки в пределах диапазона, в котором может быть корректно выполнено считывание, возможно сузить до минимума полосу пропускания оказывающих влияние шумов.

При коррелированной двойной выборке во время AD преобразования время, требуемое для преобразования, меняется во многих случаях, в соответствии с интенсивностью сигнала или количеством битов. По этой причине на схему обязательно влияют шумы в широкой полосе.

Без ограничения примером, описанным выше, схема может выполнять определение, путем сравнения сигнала, который получают путем суммирования значения смещения по сигналу сброса, с сигналом считывания.

В качестве альтернативы, также возможно получить вначале сигнал считывания и затем выполнить сброс пиксела для получения сигнала сброса и после этого суммировать значение смещения с любым из сигналов для определения на основе сравнения. В этом случае трудно выполнить смещение шумов kTC, но фиксированные шумы, вызванные вариациями пикселов, можно компенсировать. В соответствии с этим, возникает преимущество, состоящее в том, что такой подход можно, в общем, применять во всех конфигурациях пикселов.

Даже если применяется такая функция самоотносимости, количество чувствительных схем намного меньше, чем в нормальном AD преобразователе. В соответствии с этим, не требуется занимать большую площадь.

Кроме того, для реализации цифрового пиксела, также хороший выбор представляет использование фотодиода типа внутреннего усиления.

В качестве фотодиода типа внутреннего усиления, известен лавинный фотодиод (APD), который генерирует лавинное усиление при ускорении фотоэлектрически преобразованных пар электрон-дырка под действием электрического поля.

Счетчик фотонов в предшествующем уровне техники, в котором используется APD, выполняет только аналоговое усиление сигнала пиксела, выполняет вывод импульса и детектирует его с помощью внешней схемы. В этом случае, усиление, близкое к 1 миллиону раз, выполняется для детектирования одного фотона, используя режим Гейгера. В соответствии с этим, необходимо высокое напряжение 40 V, и схема детектирования также не предусмотрена. По этой причине трудно обеспечить миниатюризацию пиксела или высокоскоростную параллельную работу.

С другой стороны, работа в режиме Гейгера не обязательна для цифрового пиксела, используемого в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Поскольку двоичное детектирование с временным разделением в микросхеме, с использованием простой конфигурации схемы, позволяет существенно уменьшить шумы в схеме детектирования и в нагрузке сигнала, становится возможным детектировать одиночный фотон с малым усилением в линейном режиме.

Также, в этом случае, может использоваться схема пиксела, показанная на фиг.4, но транзистор усилителя пиксела не обязателен, если будет получено, например, усиление 1000 раз.

<3. Второй вариант осуществления>

Далее будет описан, как второй вариант осуществления, пример конфигурации, в которой применяется диод типа внутреннего усиления в устройстве приема света.

На фиг.8 показан вид, поясняющий второй вариант осуществления настоящего раскрытия, и также вид, представляющий пример конфигурации блока пикселов, соответствующего первому варианту осуществления, с использованием фотодиода типа внутреннего усиления.

Во втором варианте осуществления блок 160В пикселов включает в себя только группу фотодиодов 111В типа внутреннего усиления и транзисторы 112В передачи (выбора), соответствующие фотодиодам 111В типа внутреннего усиления.

Таким образом, пиксел DPXB в данном примере формируется только фотодиодами 111В типа внутреннего усиления и транзисторами 112В передачи (выбора), соответствующими фотодиодам 111В типа внутреннего усиления. Электрод затвора транзистора 112В передачи каждого пиксела DPXB в одной строке соединен с общей линией 181В передачи. Кроме того, истоки или стоки транзисторов 112В передачи множества пикселов каждого блока 160В пикселов соединены с общей линией 131 выходного сигнала.

Кроме того, транзистор 113В сброса включен между каждой линией 131 выходного сигнала и линией LVRST потенциала сброса. Электрод затвора каждого транзистора 113В сброса соединен с общей линией 182В сброса.

В этом примере каждый пиксел DPXC сбрасывают через транзистор 113В сброса, линию 131 выходного сигнала и транзистор 112В передачи.

<4. Третий вариант осуществления>

Далее пример конфигурации устройства формирования изображения, в котором используется множество устройств приема света (модулей приема света и блоков схем) устройства формирования изображения в соответствии с первым или вторым вариантом осуществления, будет описан, как третий вариант осуществления.

В полупроводниковом устройстве формирования изображения, представленном общим устройством формирования изображения типа датчика CCD или типа датчика CMOS, возникают характерные вариации в цепях усилителя в модуле вывода CCD, или в цепях истокового повторителя, соединенных с соответствующими пикселами датчика CMOS.

Кроме того, в общем полупроводниковом устройстве формирования изображения, такие характерные вариации отражаются так, как они есть, на вариации эффективности преобразования из количества накопленных электронов в аналоговый электрический сигнал.

Кроме того, поскольку вариации преобразования в преобразователях AD также непосредственно отображаются на вариации сигнала, вариации эффективной чувствительности соответствующих микросхем очень велики.

Поэтому, при формировании изображений с большой площадью, путем размещения в виде матрицы множества устройств формирования изображения в общем полупроводниковом устройстве формирования изображения, необходимо сделать чувствительность однородной, путем регулирования коэффициента усиления каждой микросхемы.

С другой стороны, поскольку устройство формирования изображения (устройство приема света) в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия, в котором применяется подсчет фотонов с разделением времени, в принципе, не обрабатывает аналоговый сигнал, вариации чувствительности в соответствующих микросхемах очень малы.

В соответствии с этим, становится возможным сформировать большую поверхность формирования изображений, путем размещения в виде матрицы таких устройств формирования изображения в одномерной линейной форме или в виде двумерной матрицы.

Например, такое устройство формирования изображения можно использовать для формирования изображения излучения для медицины или в области безопасности путем размещения сцинтиллятора перед устройством приема света. Кроме того, поскольку чувствительность является высокой и величины шумов малы, устройство формирования изображения может правильно детектировать очень малые величины излучения.

В соответствии с этим, например, при формировании медицинских изображений возможно значительно уменьшить величину экспозиции объекта, изображение которого формируют, путем ограничения величины излучения.

На фиг.9А и 9В показаны концептуальные виды устройства формирования изображения, когда устройство формирования изображения в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия применяют при формировании изображений СТ (компьютерная томография).

Устройство 400 формирования изображения, которое окружает субъект OBJ цилиндрической формы, включает в себя источник 410 рентгеновского излучения и тысячи устройств 420 формирования изображения, которые расположены в виде матрицы так, что они обращены к источнику 410 рентгеновского излучения и, которые используют счетчики фотонов в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Поверхность матрицы изогнута вдоль внутренней стенки цилиндра таким образом, что устройства формирования изображения обращены к источнику 410 рентгеновского излучения с равными расстояниями между ними.

В каждом устройстве 420 формирования изображения, сцинтиллятор 422 закреплен на стороне поверхности 421 а приема света, счетчика 421 фотонов в варианте осуществления настоящего раскрытия, и коллиматор 423 расположен на стороне падения рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи, которые пропускают через субъект OBJ от источника 410 рентгеновского излучения и которые затем передают через коллиматор 423, преобразуют в видимый свет с помощью сцинтиллятора 422 и детектируют с помощью счетчика 421 фотонов, в результате чего получают величину излучения.

Устройство 400 формирования изображения вращается вокруг субъекта OBJ для формирования изображения субъекта OBJ под всеми углами, и выполняет арифметическую обработку полученных данных для генерирования изображения на просвет вида в поперечном сечении субъекта OBJ.

Счетчик фотонов устройства формирования изображения в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия имеет очень широкий динамический диапазон, а также обеспечивает считывание с высокой чувствительностью и в отсутствие шумов.

Кроме того, поскольку устройство формирования изображения включает внутри себя схему подсчета, становится возможным выполнить высокоскоростное формирование изображений, даже при высоком битовом разрешении. В соответствии с этим, точное формирование изображений может быть реализовано, если количество рентгеновских лучей будет существенно уменьшено, и система будет не дорогостоящей.

В качестве примера, в аналогичной системе формирования изображений используется SPECT для медицинского применения.

Она детектирует γ-лучи, используя сцинтиллятор, но трубка фотоумножителя используется для детектирования очень малого количества γ-лучей.

Если используется счетчик фотонов в варианте осуществления настоящего раскрытия, стоимость детектора существенно уменьшается, и внешняя схема детектирования также становится не нужной. В результате, поскольку количество детекторов может быть увеличено в десятки раз, становится возможным существенно улучшить чувствительность.

На фиг.10 показан вид, представляющий пример устройства линейного формирования изображения, в котором устройства формирования изображения (устройства приема света) в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия расположены в виде матрицы в одномерной линейной форме.

Устройства 510 формирования изображения (устройства приема света), в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия, расположены в виде матрицы линейно и поочередно в устройстве 500 линейного формирования изображения.

В результате перемещения устройства 500 линейного формирования изображения в направлении стрелки А, широкую поверхность формирования изображений можно равномерно сканировать в эффективной области 520 пикселов устройства 510 формирования изображения (устройство приема света).

Для сканирования предпочтительно выполнять пошаговое движение с шагом в продольном направлении (в направлении строки) эффективной области 520 пикселов или, если возможно, перемещать субъект. Часть соединения между областями эффективного пиксела может подвергаться обработке усреднения в результате наложения некоторых пикселов друг на друга.

Область 520 эффективного пиксела каждого устройства 510 формирования изображения (устройство приема света) имеет конфигурацию, в которой 128 блоков блока матрицы пикселов, показанные на фиг.1, располагаются, например, в виде матрицы в горизонтальном направлении (направление столбца). Таким образом, область 520 эффективных пикселов каждого устройства 510 формирования изображения (устройство приема света) формируется "512×128" физическими пикселами.

Здесь, если предположить, что результат суммирования величин подсчета "8×8" физических пикселов представляет собой модуль пиксела (логический пиксел), количество логических пикселов составляет 64×16. Когда каждый физический пиксел имеет разрешение 10 битов, разрешение каждого логического пиксела составляет 16 битов.

Если такие 64 устройства 510 формирования изображения (устройства приема света) линейно расположить в виде матрицы, как показано на фиг.10, в сумме 4096 16-битных логических пикселов размещаются в виде матрицы в устройстве 500 линейного формирования изображения.

Такое устройство линейного формирования изображения позволяет легко реализовать формирование миниатюрных изображений. В соответствии с этим, формирование рентгеновского излучения для медицины или в области безопасности становится возможным с высокой точностью и с очень высокой чувствительностью (низкие шумы) в результате комбинирования со сцинтиллятором.

Поскольку абсолютное количество рентгеновских лучей может быть уменьшено, становится возможным уменьшить величину экспозиции, даже в случае линейного формирования изображений. Кроме того, система является не дорогостоящей. Кроме того, множество таких устройств линейного формирования изображения могут быть установлены в виде матрицы через равные расстояния, в направлении сканирования, для сокращения расстояния сканирования. В этом случае величина экспозиции может быть дополнительно уменьшена.

Кроме того, для предотвращения повреждения устройства формирования изображения рентгеновскими лучами, прошедшими через сцинтиллятор, возможно разместить устройство 420 формирования изображения в удаленном месте от сцинтиллятора 422 и передавать излучение сцинтиллятора в устройство 420 формирования изображения, используя оптическое волокно 424, например, как показано на фиг.11.

В примере, показанном на фиг.11, пластина 425 экранирования рентгеновского излучения, которая блокирует рентгеновские лучи, расположена между поверхностью 421а приема света счетчика 421 фотонов устройства 420 формирования изображения и модулем приема света сцинтиллятора 422, и оптическое волокно 424 располагают так, чтобы оно обходило пластину 425 экранирования рентгеновского излучения.

С другой стороны, для детектирования излучения при измерениях в области медицины или в научной области, угол облучения излучения может быть необходимым, как информация. Для счетчика фотонов, используемого в таком случае, необходимо высокое временное разрешение для установления времени детектирования.

Например, в PET, используемом в области медицины, позитрон генерируют с помощью радиоактивного материала, который принял пациент, и этот позитрон рекомбинирует с электроном с немедленным излучения пары γ-лучей. Эта пара γ-лучей излучается в противоположных направлениях и детектируется одновременно и параллельно двумя детекторами (сцинтилляторами). Таким образом, существование радиоактивного материала оценивают по прямой линии, соединяющей два детектора.

Обычно в PET необходимо уменьшать шумы во время детектирования, путем выполнения определения одновременного детектирования с высоким разрешением по времени.

На фиг.12 схематично показан вид, представляющий пример оценки направления падения излучения путем одновременного детектирования фотонов.

На фиг.12 показано простое применение в SPECT.

Используя γ-лучи, падающие перпендикулярно на сцинтиллятор (детектор) 422 среди γ-лучей, излучаемых из субъекта OBJ, множество групп фотонов падают одновременно на счетчик 421 фотонов одного устройства 420 формирования изображения.

С другой стороны, с помощью γ-лучей, которые падают под наклоном на сцинтиллятор (детектор) 422, группы фотонов, распределенные в множестве устройств 420 формирования изображения, падают одновременно.

Таким образом, становится возможным выполнять оценку направления падения γ-лучей, используя информацию, относящуюся к распределению детектируемых одновременно фотонов.

Обычно, используют коллиматор в SPECT для использования информации, относящейся только к фотону, который падает вертикально. Однако если временное разрешение детекторов является высоким, и их можно легко использовать, становится возможным более существенно расширить количество информации.

Таким образом, для улучшения точности детектирования, путем уменьшения ошибки детектирования в таком детекторе, важно обеспечить высокое разрешение по времени для определения одновременного детектирования падения фотона.

Ниже будет описана новая технология, для улучшения разрешения по времени оптического детектирования счетчика фотонов, относящихся к варианту осуществления настоящего раскрытия, и архитектура микросхемы, как третий и четвертый варианты осуществления.

<5. Четвертый вариант осуществления>

На фиг.13 показан вид, представляющий пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Датчик 100С изображения CMOS (устройство формирования изображения), относящийся к четвертому варианту осуществления, отличается от датчика 100 изображения CMOS в соответствии с первым вариантом осуществления, показанным на фиг.1, тем, что он имеет функцию улучшения разрешения по времени оптического детектирования.

В основном, датчик 100С изображения CMOS выполнен таким образом, что блок 150С схемы интегрирования результата определения имеет функцию улучшения разрешения по времени оптического детектирования.

Блок 150С схемы интегрирования результата определения включает в себя блок 120 чувствительной схемы, блоки 210 и 220 первого и второго регистра, 4-битную шину 230 и выходную схему 240.

Блок 210 первого регистра имеет 4-битные регистры 211-0, 211-1, …, которые последовательно передают выходные сигналы чувствительных схем 121-0 120-1 в соответствии с размещением столбца пикселов блока 110 матрицы пикселов.

Блок 210 первого регистра имеет конфигурацию, эквивалентную конфигурацию, в которой линейные буферы, которые содержат и выводят считываемые данные одной строки, расположены в виде матрицы в четырех строках.

Блок 220 второго регистра имеет 4-битные регистры 221-0, 221-1, …, которые последовательно передают выходные сигналы 4-битных регистров 211-0, 211-1, … блока 210 первого регистра.

Блок 220 второго регистра имеет конфигурацию, эквивалентную конфигурации, в которой линейные буферы, которые содержат и выводят считываемые данные одной строки, расположены в виде матрицы в четырех строках.

Шина 230 передает выходные данные блока 220 второго регистра в выходную схему 240.

Выходная схема 240 имеет схему 241 подсчета и выходной фиксатор 242. Схема 241 подсчета подсчитывает или суммирует данные "1" каждой из строк, передаваемые через шину 230.

Также, в четвертом варианте осуществления, блок 160 (160-0, 160-1, …) пикселов выполнен так, что он включает в себя 128 цифровых пикселов DPX и схему выбора, как и в первом варианте осуществления. Схема выбора выбирает один из пикселов, для выполнения сброса или считывания.

Также, в четвертом варианте осуществления, один пиксел в блоке пикселов выбирают в соответствии с линией 180 управления строкой, активируемой задающей схемой 170 строки.

Во время считывания, произошло или нет падение фотона в выбранный пиксел, выводят, как электрический сигнал в линии 131 выходного сигнала, и двоичное значение определяют с помощью чувствительной схемы 121 (121-0, 121-1, …).

Например, чувствительная схема 121 (121-0, 121-1, …) определяет "1", как значение определения, если свет попал на выбранный пиксел, и определяет "0", как значение определения, если свет не попал на выбранный пиксел, и фиксирует это значение определения.

Затем значение определения чувствительной схемы 121 (121-0, 121-1, …) передают в первый бит 4-битного регистра 211 (211-0, 211-1, …) блока первого 4-битного регистра. В соответствии с этим, становятся возможными считывание и определение сигнала следующей строки.

Такая работа непрерывно выполняется для четырех строк. Когда значения определения соответствующих строк сохраняют в разных битах 4-битных регистров 211 (211-0, 211-1, …), их одновременно передают в 4-битные регистры 221 (221-0, 221-1, …) блока 220 второго регистра на следующем этапе.

Затем данные, содержащиеся в 4-битных регистрах 220 (220-0, 220-1 …) блока 220 второго регистра в каждом столбце последовательно выводят в 4-битную шину 230 и затем передают в выходную схему 240.

Схема 241 подсчета расположена в выходной схеме 240 для подсчета или суммирования данных "1" каждой строки. После того, как элементы данных во всех столбцах четырех строк будут переданы, суммарное значение каждой строки сохраняют в выходном фиксаторе 242.

С другой стороны, считывание блока 110 матрицы пикселов выполняют постоянно параллельно с операцией передачи, описанной выше, и значения определения следующих четырех строк сохраняют в 4-битных регистрах 211 (211-0, 211-1, …) блока 210 первого регистра. Таким образом, считывание и передачу данных в выходную схему 240 выполняют с использованием конвейерной организации обработки.

В такой микросхеме, если предположить, что 250 наносекунд требуется, чтобы выполнить считывание одной строки, передачу данных 128 столбцов выполняют в течение 1 микросекунды.

Поскольку передача 4 битов в одном столбце занимает 7, 8 наносекунд, времени достаточно для передачи данных в нормальной полупроводниковой микросхеме. Конфигурация периферийной цепи является очень простой.

Кроме того, для считывания данных снаружи, предпочтительно, получать величины подсчета в четырех строках, записанные в выходном фиксаторе 242 выходной схемы 240 в течение 1 микросекунды.

Поскольку времени для считывания вполне достаточно, внешняя система может считывать данные параллельно из множества устройств формирования изображения.

Внешняя система может выводить общее количество фотонов, которые попали в устройства формирования изображения в пределах единичного времени экспозиции максимум 32 микросекунды путем суммирования данных считывания во всех строках.

В результате повтора этих 1025 циклов и постоянного суммирования величин подсчета, становится возможным получить данные 24-битной серой шкалы за 1/30 секунды.

Здесь разрешение по времени детектирования фотона, используя устройство формирования изображения в соответствии с четвертым вариантом осуществления, будет описано со ссылкой на фиг.14.

На фиг.14 показан вид для пояснения разрешения по времени детектирования фотона, с использованием устройства формирования изображения, в соответствии с четвертым вариантом осуществления. На фиг.14 показано состояние, в котором считывание и сброс последовательно выполняют для каждой строки в соответствии с прошедшим временем.

В PET и т.п., когда γ-лучи падают на сцинтиллятор, множество фотонов генерируются, так, что они падают на соответствующие устройства формирования изображения.

Если предположить, что этот момент времени представлен пунктирной линией 251, фотон избирательно детектируют только при считывании строки (показана толстыми наклонными линиями: RD), причем время экспозиции включает в себя этот момент времени.

В этом примере детектирование выполняют до тех пор, пока адрес строки находится приблизительно на расстоянии один раунд от момента считывания непосредственно после генерирования фотона (адрес строки: 7), и затем данные становятся равными нулю. Таким образом, если выход данных 1 строки или больше возникает постоянно или периодически в течение периода, в течение которого адрес строки занимает один раунд, это представляет собой генерирование фотона.

Здесь суммарное количество фотонов, которые падают одновременно на устройства формирования изображения, представляет собой общее значение суммирования данных строки, выводимых за один раунд. Кроме того, можно оценить, что время генерирования находится в положении 252 между временем считывании строки, в которое вывод 1 или больше появляется первым, и временем считывания строки перед строкой, в которой вывод 1 или больше появляется первым. Разрешение по времени представляет собой время считывания для одной строки, то есть, 250 наносекунд.

Таким образом, используя такой способ, время падения, когда множество фотонов падают одновременно на устройства формирования изображения, устанавливают по распределению количества падений для каждой строки, путем выполнения циклического детектирования фотонов, при сдвиге момента времени считывания в каждой строке. В этом случае, количество сдвигов моментов времени считывания в каждой строке соответствует разрешению по времени. В соответствии с этим, если количество сдвигов будет мало, разрешение по времени детектирования улучшается в пропорции с этим.

<6. Пятый вариант осуществления>

На фиг.15 показан вид, представляющий пример конфигурации датчика изображения CMOS (устройство формирования изображения) в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Датчик 100D изображения CMOS (устройство формирования изображения), в соответствии с пятым вариантом осуществления, отличается от датчика 100С изображения CMOS в соответствии с четвертым вариантом осуществления, показанным на фиг.13, следующим.

В четвертом варианте осуществления величина сдвига практически равна времени считывания одной строки. Также, в пятом варианте осуществления, разрешение по времени может быть улучшено, даже если величина сдвига будет уменьшена, без изменения времени считывания.

В блоке 150D схемы интегрирования результата определения, две расположенные рядом друг с другом чувствительные схемы 121-0 и 121-1 соответствуют одной строке в блоке 120D чувствительной схемы.

В соответствии с этим, два соседних 4-битных регистра 211-0 и 211-1 блока 210D первого регистра соответствуют одной строке.

Кроме того, в блоке 220D второго регистра, регистры 222-0,… битов расположены в виде матрицы, в соответствии с 4-битными регистрами.

Также, в пятом варианте осуществления, блок 160 (160-0, 160-1, …) пикселов выполнен так, что он включает в себя 128 цифровых пикселов DPX и схему выбора, как в четвертом варианте осуществления. Схема выбора выбирает один из пикселов для выполнения сброса или считывания.

Также, в пятом варианте осуществления, один пиксел в блоке пикселов выбирают в соответствии с линией 180 управления строкой, которую активирует задающая схема 170 строки.

Кроме того, в пятом варианте осуществления, две схемы подготовлены для каждого столбца, для считывания таким образом, что соединения с разными схемами поочередно выполняют в четных и нечетных строках.

Например, во время считывания пиксела DPX00, произошло или нет падение фотона выбранный пиксел, выводят, как электрический сигнал, в линию 131-1 выходного сигнала, и двоичное значение определяют с помощью чувствительной схемы 121-0. Например, чувствительная схема 121-0 определяет "1", как значение определения, если свет падает на выбранный пиксел, и определяет "0", как значение определения, если свет не падает на выбранный пиксел, и фиксирует значение определения. Затем значение определения чувствительной схемы 121-0 передают в первый бит 4-битного регистра 211-0 блока 210D первого 4-битного регистра. Такое считывание выполняют для четырех строк.

С другой стороны, во время считывания пиксела DPX01, произошло или нет падение фотона выбранный пиксел, выводят, как электрический сигнал в линию 123-1 выходного сигнала, и двоичное значение определяют с помощью чувствительной схемы 121-1. Значение определения фиксируют с помощью чувствительной схемы 121-1 и затем передают в 4-битный регистр 211-1 на следующем этапе. Такое считывание выполняют для четырех строк.

После выполнения описанного выше считывания для четырех строк, значения определения одновременно передают в восьмибитный регистр 222 блока 220D второго регистра на следующем этапе. Затем данные, содержащиеся в 8-битном регистре 222 каждой строки, последовательно выводят в 8-битную шину 230D и затем передают в выходную схему 240D. Схема 241D подсчета расположена в выходной схеме 240D, в порядке подсчета или суммирования данных "1" каждой строки. После того, как все элементы данных столбцов в восьми строках будут переданы, суммарное значение каждой строки сохраняют в выходном фиксаторе 242D.

Таким образом, процедура считывания, передачи и вывода, в основном, является той же, что и на фиг.14, но операция считывания разделена в соответствии с двумя линиями четных и нечетных строк в этом примере.

Эти операции выполняют параллельно, выполняя сдвиг по времени на половину периода.

Здесь разрешение по времени детектирования фотона, с использованием устройства формирования изображения, в соответствии с пятым вариантом осуществления, будет описано со ссылкой на фиг.16.

На фиг.16 показан вид для пояснения разрешения по времени детектирования фотона, используя устройство формирования изображения, в соответствии с пятым вариантом осуществления. На фиг.16 показано состояние, в котором считывание и сброс последовательно выполняют для каждой строки в соответствии с прошедшим временем.

Путем предоставления двух схем считывания параллельно, считывание следующей строки начинают без ожидания окончания считывания предыдущей строки. Кроме того, сдвиг времени считывания составляет половину периода для периода считывания.

В PET и т.п., когда γ-лучи падают на сцинтиллятор, множество фотонов генерируются и попадают на соответствующие устройства формирования изображения. Предполагая, что эти моменты времени представлены пунктирной линией 253, фотон избирательно детектируют только при считывании строки (выражена толстыми наклонными линиями: RD), в которых время экспозиции включает в себя это время.

В этом примере детектирование выполняют до тех пор, пока адрес строки не установится приблизительно за один раунд от считывания непосредственно после генерирования фотона (адрес строки: 12), и затем данные становятся равными нулю. Таким образом, если выход данных 1 строки или больше возникает непрерывно или периодически в течение периода, в течение которого адрес строки занимает один раунд, это представляет собой генерирование фотона.

Здесь общее количество фотонов, которые падают одновременно на устройства формирования изображения, представляет собой общее суммарное значение данных строки, выводимых за один раунд. Кроме того, можно оценить, что время генерирования находится в позиции 254 между временем считывания строки, в котором выход 1 или больше появляется первым, и время считывания строки перед строкой, в которой выход 1 или больше появляется первым.

Разрешение по времени составляет половину периода для периода считывания одной строки, то есть, 125 наносекунд.

Таким образом, становится возможным уменьшить величину сдвига периода считывания, без сокращения самого периода считывания. Например, также возможно достичь разрешения по времени, сопоставимого с трубкой фотоумножителя, путем увеличения дополнительного количества систем считывания.

Например, в случае применения в PET, множество устройств формирования изображения в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия расположены в виде матрицы в форме кольца, и система считывает количество фотонов в каждой строке последовательно для каждой единичной экспозиции каждого устройства формирования изображения. Затем, когда детектируют генерирование фотона, общее количество фотонов, падающих одновременно на устройства формирования изображения при временной метке генерирования, записывают в запоминающее устройство. Эти необходимые и достаточные данные собирают наиболее эффективно.

В результате комбинирования данных после окончания формирования изображений, для идентификации пары устройств формирования изображения, на которые фотоны попали одновременно, существование излучающего материала может быть принято на линии, соединяющей эту пару.

Используя такую технологию, становится возможным существенно повысить количество самих устройств формирования изображения по сравнению с предшествующим уровнем техники. Кроме того, также становится возможным существенно расширить степень свободы при комбинации устройств формирования изображения, для которых требуется определить одновременное падение фотонов. В соответствии с этим, поскольку чувствительность может быть существенно улучшена, количество принятого медицинского препарата может быть существенно уменьшено. В результате, становится возможным уменьшить экспозицию излучения субъекта и также улучшить точность измерений, путем подавления случайного одновременного генерирования фотонов.

Кроме того, твердотельные устройства формирования изображения в соответствии с первым и вторым вариантами осуществления, описанными выше, также можно применять, как устройства формирования изображения в цифровой камере или видеокамере.

<7. Шестой вариант осуществления>

На фиг.17 показан вид, представляющий пример конфигурации системы камеры, в которой применяется устройство формирования изображения в соответствии с вариантом выполнения настоящего раскрытия.

Как показано на фиг.17, система 600 камеры включает в себя устройство 610 формирования изображения, в котором можно применять датчик 100 изображения CMOS (устройство формирования изображения), в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

Система 600 камеры включает в себя оптическую систему, которая направляет свет, падающий на область пикселов устройства 610 формирования изображения (формирует изображение субъекта), например, объектив 620, который формирует падающий свет (свет изображения) на поверхность формирования изображения.

Кроме того, система 600 камеры включает в себя задающую схему (DRV) 630, предназначенную для управления устройством 610 формирования изображения, и схему 640 (PRC) обработки сигналов для обработки выходного сигнала устройства 610 формирования изображения.

Задающая схема 630 включает в себя генератор синхронизации (не показан), который генерирует различные виды сигналов синхронизации, включающие в себя импульс запуска или импульс тактовой частоты, для управления схемами устройства 610 формирования изображения, и осуществляет управление устройством 610 формирования изображения, используя заданный сигнал синхронизации.

Кроме того, схема 640 обработки сигналов выполняет заданную обработку сигналов для выходного сигнала устройства 610 формирования изображения.

Сигнал изображения, обработанный схемой 640 обработки сигналов, записывают на носителе записи, таком как запоминающее устройство. Документальную копию информации изображения, записанной на носителе записи, получают с помощью принтера и т.п. Кроме того, сигнал изображения, обработанный схемой 640 обработки сигналов, проецируется, как движущееся изображение на монитор, сформированный устройством жидкокристаллического дисплея и т.п.

Как описано выше, высокоточная камера, которая потребляет малую электроэнергию, может быть реализована путем предоставления описанного выше твердотельного устройства 100 формирования изображения, в качестве устройства 610 формирования изображения, в устройстве формирования изображения, таком как цифровая фотокамера.

Кроме того, хотя конфигурация на фиг.1, в которой множество пикселов совместно используют чувствительную схему, необходима при предоставлении пикселов, и чувствительной схемы на одной и той же полупроводниковой подложке, технология формирования полупроводникового слоя с множеством слоев, используя технологию соединения между слоями, также появилась в последние годы. В таком случае, например, чувствительная схема каждого пиксела может быть предусмотрена в нижнем слое каждого пиксела.

Также, в этом случае, суммирование между пикселами может быть легко выполнено, путем формирования множества чувствительных схем, совместно размещенных в интегральной схеме, включающей в себя счетчик. В результате, становится возможным улучшить динамический диапазон во время формирования изображений.

Настоящее раскрытие содержит предмет изобретения, относящийся к тому, что раскрыто в приоритетной заявке JP 2010-224235 на японский патент, поданной в японское патентное ведомство 1 октября 2010 г., полное содержание которой таким образом включено по ссылке.

Специалистам в данной области техники следует понимать, что различные модификации, комбинации, подкомбинации и изменения могут возникнуть, в зависимости от конструктивных требований и других факторов, если только они находятся в пределах объема приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.

Изобретение относится к устройству формирования изображения, такому как датчик изображения CMOS, и к системе камеры. Техническим результатом является формирование изображений или измерение при низкой интенсивности, с низким уровнем шумов, даже при низкой освещенности и с широким динамическим диапазоном. Результат достигается тем, что устройство формирования изображения включает в себя: блок матрицы пикселов, выполняющий функцию блока приема света, который включает в себя устройства фотоэлектрического преобразования, и в котором множество пикселов, которые выводят электрические сигналы, когда падают фотоны, расположены в виде матрицы; блок чувствительной схемы, в котором множество чувствительных схем, которые принимают электрические сигналы от пикселов и выполняют двоичное определение в отношении того, произошло или нет падение фотонов на пиксели в заданный период, расположены в виде матрицы; и блок схемы интегрирования результата определения, имеющий функцию интегрирования множества результатов определения чувствительных схем для соответствующих пикселов или для каждой группы пикселов, в котором блок схемы интегрирования результата определения выводит количество попавших фотонов на блок приема света, путем выполнения подсчета фотонов, для интегрирования множества результатов определения во множестве пикселов. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Устройство формирования изображения, содержащее:
блок матрицы пикселов, функционирующий как блок приема света, который включает в себя устройства фотоэлектрического преобразования, и в котором множество пикселов, которые выводят электрические сигналы, когда падают фотоны, расположены в виде матрицы;
блок чувствительной схемы, в котором множество чувствительных схем расположены в виде матрицы, которые принимают электрические сигналы от пикселов и выполняют двоичное определение, в зависимости от того, произошло или нет падение фотонов на пиксели в течение заданного периода; и
блок схемы интегрирования результата определения, имеющий функцию интегрирования множества результатов определения чувствительных схем, для соответствующих пикселов или для каждой группы пикселов,
в котором блок схемы интегрирования результата определения выводит количество попавших фотонов на блок приема света, выполняя подсчет фотонов для интегрирования множества результатов определения во множестве пикселов.

2. Устройство формирования изображения по п.1,
в котором подсчет фотона выполняют, формируя множество ячеек сетки в блоке приема света, используя поверхность приема света, разделенную на равные расстояния и ось времени, разделенную на равные расстояния.

3. Устройство формирования изображения по п.2,
в котором у каждой ячейки сетки есть два значения - логическое значение 1 и логическое значение 0,
каждая из чувствительных схем определяет, попал ли один или более фотонов в каждую ячейку сетки, и определяет 1, когда попадание произошло, независимо от количества попавших фотонов, и определяет 0, когда попадание не произошло, и
блок схемы интегрирования результата определения подсчитывает сумму 1 из каждой чувствительной схемы.

4. Устройство формирования изображения по п.1,
в котором множество блоков пикселов сформировано в блоке матрицы пикселов, и каждый блок пикселов включает в себя множество пикселов и средство выбора, и
в блоке чувствительной схемы отдельная чувствительная схема расположена в соответствии с каждым из блоков пикселов.

5. Устройство формирования изображения по п.4,
в котором средство выбора блока пикселов выбирает пиксели в соответствующем блоке пикселов циклически и выводит сигнал выбранного пиксела в чувствительную схему, и
чувствительная схема определяет, произошло ли попадание фотона в каждом пикселе за фиксированный период от последнего выбора до текущего выбора.

6. Устройство формирования изображения по п.5,
в котором установлена функция сброса, состоящая в сбросе каждого из пикселов в состояние, в котором не произошло попадание фотона, и
установлена функция регулирования, состоящая в регулировании периода экспозиции путем вставки обработки сброса между избирательным выводом каждого пиксела в блоке пикселов и следующим избирательным выводом так, чтобы время экспозиции в каждом пикселе было фиксированным.

7. Устройство формирования изображения по п.1,
в котором блок схемы интегрирования результата определения включает в себя:
схему подсчета, которая выполняет обработку подсчета для интегрирования результатов определения чувствительных схем; и
запоминающее устройство для сохранения результата подсчета каждого пиксела в схеме подсчета,
в котором множество чувствительных схем совместно использует схему подсчета для интегрирования результатов определения.

8. Устройство формирования изображения по п.1,
в котором в блоке матрицы пикселов множество пикселов выстроено в виде матрицы, и
блок схемы интегрирования результата определения выводит значение суммирования попаданий фотонов в каждой строке.

9. Устройство формирования изображения по п.8,
в котором блок схемы интегрирования результата определения включает в себя:
по меньшей мере, один блок регистра, включающий в себя, по меньшей мере, один буфер строки, который содержит и выводит значение определения чувствительной схемы для каждой строки;
шину, через которую передают выходные данные буфера строки; и
схему подсчета, которая выполняет обработку подсчета для интегрирования данных результата определения чувствительной схемы, переданных через шину.

10. Устройство формирования изображения по п.9,
в котором в блоке чувствительной схемы, чувствительные схемы множества строк, которые выполняют определение для считывания множества пикселов, расположены в каждом столбце, и
блок схемы интегрирования результата определения считывает значения определения чувствительных схем множества строк в каждом столбце, смещая время, и содержит значения определения в блоке регистра, и передает данные множества строк, содержащихся в блоке регистра, через шину.

11. Устройство формирования изображения по п.1,
в котором установлена функция сброса, состоящая в сбросе каждого из пикселов в состояние, в котором не произошло попадание фотона, и
чувствительная цепь выполняет двоичное определение, считывая сигнал в состоянии сброса, и считывая сигнал после экспозиции, и добавляет значение смещения к любому из сигнала в состоянии сброса и считанного сигнала, и сравнивает сигнал, полученный в результате сложения со значением смещения с другим сигналом.

12. Устройство формирования изображения по п.1,
в котором множество блоков схемы, каждый из которых включает в себя блок матрицы пикселов, блок чувствительной схемы и блок схемы интегрирования результата определения, расположены линейно или в виде матрицы.

13. Система камеры, содержащая:
устройство формирования изображения;
оптическую систему, которая формирует изображение субъекта на устройстве формирования изображения; и
схему обработки сигналов, которая обрабатывает выходной сигнал изображения устройства формирования изображения,
в котором устройство формирования изображения включает в себя блок матрицы пикселов, функционирующий как блок приема света, который включает в себя устройства фотоэлектрического преобразования, и в котором множество пикселов, которые выводят электрические сигналы, когда падают фотоны, расположены в виде матрицы, блок чувствительной схемы, в котором множество чувствительных схем расположены в виде матрицы, которые принимают электрические сигналы от пикселов и выполняют двоичное определение, в зависимости от того, произошло или нет падение фотонов на пиксели в течение заданного периода, и блок схемы интегрирования результата определения, имеющий функцию интегрирования множества результатов определения чувствительных схем, для соответствующих пикселов или для каждой группы пикселов, и
блок схемы интегрирования результата определения выводит количество попавших фотонов на блок приема света, выполняя подсчет фотонов для интегрирования множества результатов определения во множестве пикселов.