CN109644246B - 摄像元件以及摄像*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供减小了时滞的摄像元件以及减小了时滞的摄像***。本发明提供一种摄像元件，其具有：多个光电转换部；以及多个受光部，其分别与多个块的每一个对应配置，接受用于指示光电转换部的驱动的驱动光，向对应的光电转换部输出驱动信号，各个块由一个或者多个光电转换部构成。另外，本发明提供一种摄像***，其具有：上述摄像元件；以及发光部，其与多个受光部分开配置，向多个受光部发出所述驱动光。

Description

摄像元件以及摄像***
技术领域
本发明涉及摄像元件以及摄像***。
背景技术
以往，具有多个像素的摄像元件由于用于发送驱动脉冲的布线距离因各像素而不同，所以读出信号的定时产生了延迟(时滞)。以往的摄像元件将驱动控制线的内分点设置于摄像元件的内部，由此将时滞减小到1/4或者1/16(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2006-50566号公报
但是，以往的摄像元件无法充分地减小时滞。另外，在以往的摄像元件中，驱动控制线的布线变得复杂。
在本发明的第一形态中，提供一种摄像元件，其具有：多个光电转换部；以及多个受光部，其分别与多个块的每一个对应配置，接受用于指示光电转换部的驱动的驱动光，向对应的光电转换部输出驱动信号，各个块由一个或者多个光电转换部构成。
在本发明的第二形态中，提供一种摄像***，其具有：第一形态的摄像元件；以及发光部，其与多个受光部分开配置，向多个所述受光部发出驱动光。
此外，上述发明的概要并非列举出了本发明的全部特征。另外，上述的特征群的子组合也能够另外成立发明。
附图说明
图1示出摄像元件100的结构的概要。
图2示出具有多芯片结构的摄像元件100的结构的一例。
图3示出光电转换基板10的面方向的剖视图的一例。
图4示出实施例1的摄像元件100的结构的一例。
图5示出实施例2的摄像***200的结构的一例。
图6示出实施例3的摄像***200的结构的一例。
图7是用于说明实施例3的校准测量驱动原理的图。
图8示出发光基板30的剖视图以及调整部50的更加详细的结构。
具体实施方式
以下，通过发明的实施方式来说明本发明，但是以下的实施方式并不用于限定权利要求书的发明。另外，不限于在实施方式中说明的全部的特征组合是发明的解决手段所必须的。
图1示出摄像元件100的结构的概要。本例的摄像元件100具有光电转换基板10、受光基板20、发光基板30、中间层40以及调整部50。
光电转换基板10具有多个光电转换部11。在一个例子中，光电转换基板10具有排列为二维状的N×M个的光电转换部11。本例的光电转换部11是在二维面内排列为矩阵状的像素。光电转换部11生成与接受的光的强度相应的电荷。光电转换部11积累产生的电荷，并输出与积累的电荷量相应的信号。例如，光电转换部11包含光电转换元件、以及用于进行由光电转换元件积累的积累电荷的复位动作或读出动作的晶体管等的电路。
受光基板20根据接受的驱动光DL、将积累信号TX输出至光电转换基板10。受光基板20一并接受驱动光DL，由此一并被脉冲驱动。通过这样，受光基板20能够将高精度(低时滞)的积累信号TX供给至光电转换基板10。积累信号TX对光电转换部11的光电转换元件所产生的电荷的积累时间进行控制。受光基板20以与光电转换基板10层叠的方式形成即可。另外，受光基板20也可以具有模拟-数字转换(ADC)电路，该模拟-数字转换(ADC)电路对用于表示光电转换基板10中的受光量的模拟信号的像素信号进行数字转换。受光基板20具有分别与各光电转换部11对应配置的多个受光部21。
受光部21与每一个光电转换部11或者每一个块对应配置。在本说明书中，块表示任意个数的光电转换部11的集合。受光部21根据接受的驱动光DL，向对应的光电转换部11输出积累信号TX，控制光电转换部11的积累时间。例如，在受光部21按每一个光电转换部11而设置的情况下，N×M个受光部21排列为矩阵状，控制对应的光电转换部11的积累时间。另外，在受光部21按每一个块而设置的情况下，受光部21与块对应配置，一并控制对应的块中包含的光电转换部11的积累时间。
发光基板30通过向受光部21照射驱动光DL，由此控制受光部21输出积累信号TX的定时。发光基板30通过向受光部21一并照射驱动光DL，由此与使用电信号一并驱动的情况相比，能够抑制积累信号TX的时滞。发光基板30具有向受光部21照射驱动光DL的多个发光部31。本例的发光基板30以与受光基板20层叠的方式形成。发光基板30也可以设于摄像元件100的外部。此外，发光基板30也可以具有光驱动电路以及信号处理电路。
发光部31与受光部21对应地设置，并向对应的一个或者多个受光部21发出驱动光DL。本例的发光部31与受光部21一对一地对应设置，但是也可以比受光部21的数量少。例如，在发光部31与受光部21一对一地对应设置的情况下，与受光部21对应地排列为矩阵状。另外，在发光部31与多个受光部21对应设置的情况下，发光部31与多个受光部21对应配置，一并控制对应的多个受光部21的驱动。例如，发光部31是近红外激光二极管(NIR-LD)阵列或者近红外发光二极管(NIR-LED)阵列。
中间层40配置于受光基板20与发光基板30之间，将驱动光DL从发光部31向受光部21传播。在一个例子中，中间层40具有透明基板以及光纤等的传播驱动光DL的结构。另外，若将受光基板20以及发光基板30分开形成，则中间层40为大气。中间层40可以使驱动光DL扩散并向受光部21传播，也可以将驱动光DL转换为平行光而向受光部21传播。例如，中间层40利用光扩散构件使驱动光DL扩散，由此即使减少发光部31的数量也能够保持驱动指令同时发生。
调整部50对发光部31发出驱动光DL的定时进行调整。例如，调整部50以使发光部31一并发出驱动光DL的方式进行调整。另外，调整部50也可以以使受光基板20一并接受驱动光DL的方式进行调整。在这种情况下，调整部50将基于由受光部21接受驱动光DL的定时的反馈信号输入至对应的发光部31。此外，调整部50也可以与每一个光电转换部11或者每一个块对应设置。
如以上所述，本例的摄像元件100使用针对每一个光电转换部11或者每一个块而调整过的驱动光DL，来供给积累信号TX。通过这样，摄像元件100能够减小时滞。
图2示出具有多芯片结构的摄像元件100的构成的一例。本例的摄像元件100具有光电转换基板10、受光基板20以及发光基板30。此外，摄像元件100与透镜1对应设置。
光电转换基板10是设有多个光电转换部11的像素芯片。受光基板20是具有驱动电路以及ADC电路的驱动芯片。光电转换基板10用的芯片以及受光基板20用的芯片彼此层叠设置。例如，光电转换基板10以及受光基板20以光电转换基板10中的光电转换部11接受外部光的一侧的面、与受光基板20中的受光部21接受驱动光DL的一侧的面彼此位于相反侧的方式层叠。外部光是指光电转换部11所接受的光。光电转换部11与受光部21通过连接芯片之间的布线而电连接。
发光基板30是光驱动以及信号处理用的芯片。发光基板30用的芯片与光电转换基板10以及受光基板20的层叠结构分开而设置。在这种情况下，中间层40是大气。发光基板30通过向受光基板20照射驱动光DL，由此使积累信号TX一并驱动。另外，发光基板30用的芯片也可以与光电转换基板10用的芯片以及受光基板20用的芯片层叠而设置。例如，发光基板30以及受光基板20以发光基板30中的发光部31发出驱动光DL的一侧的面、与受光基板20中的受光部21接受驱动光DL的一侧的面彼此相对的方式层叠。
如上所述，本例的摄像元件100以将光电转换基板10以及受光基板20层叠的方式形成。通过这样，摄像元件100不必设置复杂的驱动控制线，能够减小时滞。但是，发光基板30不必须要与光电转换基板10以及受光基板20层叠。
图3示出光电转换基板10的面方向的剖视图的一例。本例的光电转换基板10具有多个光电转换部11二维排列而成的像素区域12。但是，本例的光电转换基板10不具有***区域13即由虚线所示的包围光电转换部11周围的区域。
像素区域12是N×M个光电转换部11呈矩阵状排列而成的区域。在像素区域12中，作为一例而图示出了光电转换部11以及块14。块14由排列为2×2的矩阵状的4个光电转换部11构成。块14可以由偶数个光电转换部11构成，也可以由奇数个光电转换部11构成。
有时在***区域13中设置用于扫描光电转换基板10的驱动的驱动电路、处理电路以及输出电路等。在这种情况下，由于从***区域13向光电转换部11供给驱动信号，产生了与从***区域13到对应的像素的布线的长度相应的时滞。例如，有时在大型传感器中，若不采取任何应对时滞延迟的对策，则会产生100ns左右的时滞。
本例的摄像元件100具有将各层层叠而成的多芯片结构，与光电转换部11或者块14对应，将受光部21等的控制电路以层叠的方式配置。通过这样，减小在光电转换部11或者块14之间的布线距离的偏差。另外，摄像元件100使用驱动光DL来对层叠而成的受光部21等的控制电路一并控制。通过这样，本例的摄像元件100能够将时滞减小到1ns以下。摄像元件100在需要进行超精密时间测量的情况下特别有效。例如，摄像元件100可用于荧光观测用、精密光测量用的TOF。
如上所述，摄像元件100不必新准备复杂的***电路，能够供给高精度(低时滞)的积累TX脉冲。摄像元件100能够针对每一个光电转换部11或者每一个块14在光电转换基板10内进行时滞修正。另外，摄像元件100即使在取得信号后进行修正的情况下，也能够供给高精度(低时滞)的积累TX脉冲，因此即使是超高速光源也能够将时滞减小到能够在取得信号取得后进行修正的程度。
[实施例1]
图4示出实施例1的摄像元件100的构成的一例。同图中，特别图示了与单一的光电转换部11对应地配置受光部21以及发光部31的情况。本例的受光部21具有同步电路23以及遮光部25。另外，发光部31具有修正部32以及发光阵列33。
同步电路23是根据驱动光DL来输出与积累基准信号TX global同步的积累信号TX的同步电路。在一个例子中，积累基准信号TX global是与光电转换基板10共同的时钟信号。同步电路23具有光检测电路、缓冲电路以及闩锁电路。同步电路23可以针对每一个光电转换部11而设置，也可以针对每一个块14而设置。同步电路23利用光检测电路来接受驱动光DL，并经由缓冲电路向闩锁电路的复位端子输入信号。另外，向设定端子输入积累基准信号TX global。同步电路23向对应的光电转换部11分别输出积累信号TX i。此外，受光基板20与光电转换基板10接合而设置，因此在各像素间从同步电路23到光电转换部11的布线延迟不会产生差异。另外，同步电路23也可以不使用积累基准信号TX global，在利用光检测电路接受驱动光DL时直接输出积累信号TX i。
遮光部25遮挡驱动光DL的一部分，抑制邻接的像素间的串扰。遮光部25针对每一个光电转换部11或者每一个块14对应配置。由于遮光部25抑制邻接的像素间的串扰，所以受光部21可以配合来自对应的发光部31的驱动光DL的发光定时。本例的遮光部25可以由一段构成，也可以由多段构成。本例的遮光部25由两段遮光件构成。
发光阵列33连结有多个发光元件。本例的发光阵列33具有NIR-LD阵列。发光阵列33可以与单一的受光部21对应设置，也可以与多个受光部21对应设置。
修正部32根据从调整部50输入的信号，对发光阵列33的驱动光DL的发光定时进行调整。例如，修正部32针对发光阵列33所具有的每一个NIR-LD来修正驱动光DL的发光定时。另外，修正部32也可以对发光阵列33所具有的多个NIR-LD的驱动光DL的发光定时进行一并修正。通过这样，驱动光DL被一并输入至与各光电转换部11对应的同步电路23。
中间层40由透过驱动光DL的透明基材构成。例如，中间层40由透过率T＝0.5左右的材料形成。也可以通过用容易扩散的材料来形成中间层40，由此减少发光阵列33的个数。在一个例子中，中间层40的材料根据驱动光DL的特性而决定。摄像元件100也可以根据中间层40的材料来对配置遮光部25以及发光阵列33的位置进行调整。例如，摄像元件100在使用容易扩散的材料形成中间层40的情况下，缩小遮光部25的开口部。另外，摄像元件100在使用难以扩散的材料形成中间层40的情况下，也可以扩大遮光部25的开口部。
摄像元件100通过由比较少的LD阵列构成发光基板30，能够减小积累信号TX的时滞。例如，摄像元件100只要通过布局管理和出货设定来修正时滞，则不进行校准就能得到10ps以下的级别的精度。此外，摄像元件100具有与背面照射型(BSI：Back SideIllumination)相似的结构，能够通过与BSI同样的工艺进行制造。
[实施例2]
图5示出实施例2的摄像***200的构成的一例。本例的摄像***200除了摄像元件100以外，还具有照明部70以及照明驱动部75。本例的摄像***200向被摄体2照射参照光RL，检测来自被摄体2的荧光等被激发的光或者反射光。
发光部31使用来自受光基板20的背面的驱动光DL，使多个受光部21被一并脉冲驱动。本例的发光部31与受光部21分开而配置，并由比受光部21的个数少的个数构成。通过将发光部31的个数设置地比受光部21的个数少，由此时滞的减小效果变大。优选地，发光部31以能够确保像素之间的等长性的程度与受光部21分离。像素间的等长性是指，驱动光DL的光路长与像素之间无关，能够视为恒定的。本例的摄像元件100相对于受光基板20上配置的多个受光部21，具有单一的发光部31。但是，摄像元件100也可以具有多个发光部31。
中间层40具有大气或者光纤作为传输驱动光DL的光传输构件。中间层40也可以通过使受光部21与发光部31充分分开，将驱动光DL作为平行光向受光部21传播。另外，中间层40也可以具有用于将驱动光DL转换为平行光的透镜。
摄像***200通过将发光部31与受光基板20分开设置，由此能够简化摄像芯片的结构。此处，摄像芯片是指，由具有光电转换基板10的像素芯片和与该像素芯片层叠的芯片构成的元件。通过简化摄像芯片的结构，在应用于内窥镜拍摄等的情况下有效。另外，摄像***200通过将发光部31与受光基板20分开设置，来抑制摄像芯片自身的发热。
照明部70向被摄体2照射参照光RL来照明被摄体2。另外，照明部70也可以向被摄体2照射参照光RL，由此激励被摄体2。摄像***200检测照射至被摄体2的参照光RL，由此拍摄被摄体2的图像。摄像***200仅在参照光RL照射被摄体2的期间，拍摄被摄体2的图像。参照光RL也可以是与驱动光DL的波长不同的光。
照明驱动部75对照明部70照射参照光RL的定时进行控制。照明驱动部75也可以与调整部50同步地对照射参照光RL的定时和照射驱动光DL的定时进行调整。例如，照明驱动部75与调整部使50发光部31照射驱动光DL的定时同时地使照明部70照射参照光RL。另外，照明驱动部75也可以在使照明部70照射参照光RL之后，立即向调整部50输出信号，使发光部31照射驱动光DL。
本例的摄像***200使受光部21与发光部31充分分开，由此能够将时滞减小到10ps以下。本例的摄像***200也可以应用于内窥镜拍摄，仅获取与参照光RL同步的图像。
[实施例3]
图6示出实施例3的摄像***200的结构的一例。本例的摄像***200通过校准，对因每一个光电转换部11或者每一个块的偏差等引起的时滞进行修正。例如，校准是通过根据拍摄的图像针对每一个光电转换部11进行时间测量而得到的。本例的摄像***200具有参照板3、基准脉冲生成部80以及脉冲控制部85。
基准脉冲生成部80向参照板3照射时滞修正用的脉冲波PW。脉冲波PW为了校准积累信号TX的像素间的时滞，具有规定的长度的脉冲长。但是，脉冲波PW对脉冲长并没有特别的限制，可以根据校准的方法而适当设定。
参照板3将从基准脉冲生成部80入射的脉冲波PW向透镜1反射或者扩散。参照板3也可以构成为与校准时相配合地自动***。本例的摄像***200基于在经由参照板3接受脉冲波PW时的多个光电转换部11的输出信号，来调整驱动光DL的发光定时。
脉冲控制部85对基准脉冲生成部80照射脉冲波PW的定时进行控制。脉冲控制部85以使脉冲波PW的照射与积累信号TX具有规定的关系的方式进行控制。例如，脉冲控制部85配合积累信号TX的上升沿或者下降沿的定时来照射脉冲波PW。另外，脉冲控制部85也可以配合触发脉冲PDRST的上升沿或者下降沿的定时来照射脉冲波PW。
图7是用于说明实施例3的校准测量驱动原理的图。在本例中，分别示出校准触发脉冲PDRST的情况和校准积累信号TX的情况。
在校准触发脉冲PDRST的情况下，在脉冲波PW的照射中输出触发脉冲PDRST。在本例中，为了校准触发脉冲PDRST的下降定时，以在脉冲波PW的照射过程中存在触发脉冲PDRST的下降沿的方式进行控制。摄像***200针对每一个光电转换部11或者每一个块14测量从触发脉冲PDRST的下降沿到脉冲波PW的下降沿的时间。此外，在本说明书中，特别地，将从触发脉冲PDRST的下降沿到脉冲波PW的下降沿的时间称为触发脉冲PDRST的下降位置信息。
在校准积累信号TX的情况下，在脉冲波PW的照射中输出积累信号TX。在本例中，为了校准积累信号TX的下降定时，以在脉冲波PW的照射过程中存在积累信号TX的下降沿的方式进行控制。摄像***200针对每一个光电转换部11或者每一个块14测量从脉冲波PW的下降沿到积累信号TX的下降沿的时间。此外，在本说明书中，特别地，将从脉冲波PW的下降沿到积累信号TX的下降沿的时间称为积累信号TX的下降位置信息。
图8示出发光基板30的剖视图以及调整部50的更加详细的结构。本例的摄像元件100具有温度检测部60。另外，调整部50具有延迟电路、复用器MPX以及存储部51。
温度检测部60检测摄像元件100的温度。本例的温度检测部60设于发光基板30，但是也可以分别设于光电转换基板10以及受光基板20。另外，本例的温度检测部60在发光基板30的端部设置一个，但是也可以在发光基板30的面内设置多个温度检测部60。在这种情况下，调整部50也可以使用与各光电转换部11对应的温度检测部60的温度，针对每一个光电转换部11来调整发出驱动光DL的定时。
调整部50获取触发脉冲PDRST或者积累信号TX的下降位置信息。另外，调整部50针对每一个光电转换部11将获取的下降位置信息进行多次平均。调整部50计算每一个光电转换部11的修正数据。另外，调整部50基于温度检测部60所检测出的温度，来调整驱动光DL的发光定时。调整部50也可以针对每一个光电转换部11或者每一个块14而设置。
存储部51保存调整部50所计算出的修正数据。例如，修正数据是指，触发脉冲PDRST或者积累信号TX的下降位置信息。另外，修正数据是基于温度检测部60所检测出的温度的数据。摄像元件100也可以预先保存每一个温度的修正数据表，由此基于与温度检测部60所检测出的温度对应的修正数据，调整驱动光DL的发光定时。例如，存储部51更新在拍摄开始时保存的数据。另外，存储部51也可以以规定周期而周期性更新。
调整部50具有多个延迟电路，使积累信号TX i分别延迟不同的延迟时间。延迟了的积累信号TX i被输入复用器MPX，将与存储部51中存储的修正数据相应的积累信号TX o输出。通过这样，调整部50输出下降位置信息，或者以与温度检测部60所检测出的温度相应的定时输出积累信号TX。即，调整部50将输出积累信号TX i的定时调整为从多个光电转换部11或者块同时输出信号。
以上，使用实施方式来对本发明进行了说明，但是本发明的技术的范围并不限定于上述实施方式所记载的范围。本领域技术人员可明确知道在上述实施方式中能够施加各种各样的变更或者改良。根据权利要求书的记载可明确知道，施加了如这样的变更或者改良的实施方式也包含在本发明的技术的范围内。
应当注意，权利要求书、说明书以及附图中表示的装置、***、程序以及方法中的动作、流程、步骤以及阶段等的各处理的执行顺序只要没有特别明示出“在……之前”、“首先”等，另外，也不是后面的处理要使用前面的处理的输出的情况，那么就可以按照任意的顺序来实现。关于权利要求书、说明书以及附图中的动作流程，即使为了方便而使用“首先，”、“其次，”等进行了说明，也并不意味着必须按照该顺序实施。
附图标记说明
1透镜，2被摄体，3参照板，10光电转换基板，11光电转换部，12像素区域，13***区域，14块，20受光基板，21受光部，23同步电路，25遮光部，30发光基板，31发光部，32修正部，33发光阵列，40中间层，50调整部，51存储部，60温度检测部，70照明部，75照明驱动部，80基准脉冲生成部，85脉冲控制部，100摄像元件，200摄像***。

Claims (10)

1.一种摄像元件，其中，具有：
多个光电转换部；
多个受光部，其分别与多个块的每一个对应配置，通过利用光电二极管接受用于指示所述光电转换部的驱动的驱动光并生成电荷，经由电气性布线向对应的所述光电转换部输出指示所述光电转换部的驱动的驱动信号，各个所述块由一个或者多个所述光电转换部构成，
光电转换基板，其具有所述多个光电转换部；以及
受光基板，其层叠于所述光电转换基板，并具有所述多个受光部，
以所述光电转换基板中所述光电转换部接受外部光的一侧的面、与所述受光基板中所述多个受光部接受所述驱动光的一侧的面彼此位于相反侧的方式来层叠。
2.如权利要求1所述的摄像元件，其中，
具有层叠于所述受光基板的发光基板，所述发光基板具有一个或者多个发光部，所述发光部发出所述驱动光，
所述发光基板中所述发光部发出所述驱动光的一侧的面、与所述受光基板中所述多个受光部接受所述驱动光的一侧的面彼此相对地来层叠。
3.如权利要求2所述的摄像元件，其中，
所述发光部以比所述多个受光部少的数量设置。
4.如权利要求2或者3所述的摄像元件，其中，
还具有调整部，所述调整部对所述多个发光部各自发出所述驱动光的定时进行调整。
5.如权利要求4所述的摄像元件，其中，
所述多个光电转换部接受被照射至预先规定的基准被摄体的基准脉冲，
所述调整部基于所述多个光电转换部的输出，对所述多个发光部发出所述驱动光的定时进行调整。
6.如权利要求4所述的摄像元件，其中，
还具有用于检测所述摄像元件的温度的温度检测部，
所述调整部基于所述温度检测部所检测到的温度，对所述多个发光部发出所述驱动光的定时进行调整。
7.如权利要求1～3中的任一项所述的摄像元件，其中，
所述受光基板还具有遮光部，所述遮光部与所述多个受光部的每一个分别对应配置并遮挡所述驱动光的一部分。
8.一种摄像***，其中，具有：
权利要求1所述的摄像元件；以及
发光部，其与所述多个受光部分开配置，向所述多个受光部发出所述驱动光。
9.如权利要求8所述的摄像***，其中，
还具有光传输构件，所述光传输构件在所述发光部与多个所述受光部之间，向所述多个受光部传输所述驱动光。
10.如权利要求8或者9所述的摄像***，其中，
针对所述多个受光部具有一个所述发光部。
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