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CN110880955B - 光电转换设备、驱动方法、成像系统及可移动物体 - Google Patents

光电转换设备、驱动方法、成像系统及可移动物体 Download PDF

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CN110880955B CN201910839611.8A CN201910839611A CN110880955B CN 110880955 B CN110880955 B CN 110880955B CN 201910839611 A CN201910839611 A CN 201910839611A CN 110880955 B CN110880955 B CN 110880955B
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Abstract

本申请公开了光电转换设备、驱动方法、成像系统及可移动物体。公开的光电转换设备包括多个像素，每个像素包括响应于光子的入射而输出脉冲的光接收部和基于来自光接收部的输出而输出信号的信号生成单元，并且所述多个像素中的每个像素还包括检测从光接收部输出的脉冲的宽度是否超过预定阈值的检测单元。

Description

光电转换设备、驱动方法、成像系统及可移动物体
技术领域
本发明涉及光电转换设备、驱动光电转换设备的方法、成像系统以及可移动物体。
背景技术
已知一种光电转换设备，其对到达光接收部的光子的数量进行数字计数并从像素输出计数值作为数字信号。日本专利申请公开No.2017-083298公开了一种读出电路，其包括对进入光电转换元件的光子数进行计数的计数电路、对光电转换元件的输出电流进行积分以生成电压信号的积分电路以及基于计数结果和电压信号确定入射光的水平的信号处理单元。日本专利申请公开No.2017-083298公开了，利用读出电路的这种配置，可以支持宽范围的光量。
但是，在日本专利申请公开No.2017-083298中，没有考虑从光电转换元件输出的多个信号彼此干扰并且不能作为电压脉冲被分离的情况。因此，特别是在高亮度(luminance)下，来自计数电路的输出值可能远低于理想值，并且计数值的误差可能增加。
发明内容
本发明旨在提供一种在高亮度下具有改进的光电转换操作的光子计数型光电转换设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种光电转换设备，其包括多个像素，每个像素包括响应于光子的入射而输出脉冲的光接收部和基于来自光接收部的输出而输出信号的信号生成单元，并且多个像素中的每个像素还包括检测从光接收部输出的脉冲的宽度是否超过预定阈值的检测单元。
根据本发明的另一方面，提供了一种驱动光电转换设备的方法，该光电转换设备包括响应于光子的入射而输出脉冲的光接收部和基于来自光接收部的输出而输出信号的信号生成单元，并且该方法包括检测从光接收部输出的脉冲的宽度是否超过预定阈值。
根据参考附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示根据本发明第一实施例的光电转换设备的一般配置的框图。
图2是例示根据本发明第一实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。
图3A和图3B是例示根据本发明第一实施例的光电转换设备的脉冲转换单元的操作的时序图。
图4是例示根据本发明第一实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
图5是例示根据本发明第一实施例的光电转换设备的光电转换特点的示例的图。
图6是例示根据本发明第二实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。
图7是例示根据本发明第二实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
图8是例示根据本发明第三实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。
图9是例示根据本发明第三实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
图10是例示根据本发明第四实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。
图11是例示根据本发明第四实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
图12是例示根据本发明第五实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。
图13是例示根据本发明第五实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
图14是例示根据本发明第六实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。
图15是例示根据本发明第七实施例的成像系统的一般配置的框图。
图16A是例示根据本发明第八实施例的成像系统的配置示例的图。
图16B是例示根据本发明第八实施例的可移动物体的配置示例的图。
具体实施方式
现在将根据附图来详细描述本发明的优选实施例。
[第一实施例]
将参考图1至图5来描述根据本发明第一实施例的光电转换设备及驱动该光电转换设备的方法。图1是例示根据本实施例的光电转换设备的一般配置的框图。图2是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。图3A和图3B是例示根据本实施例的光电转换设备的脉冲转换单元的操作的时序图。图4是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。图5是例示根据本实施例的光电转换设备的光电转换特点的示例的图。
如图1所示，根据本实施例的光电转换设备100包括传感器单元10和电路单元20。电路单元20包括垂直选择电路21、信号处理电路22、水平选择电路23以及控制电路24。
传感器单元10设有在多个行方向和多个列方向上以矩阵布置的多个像素P。图1例示了布置在从第0行到第5行这6行并且从第0列到第5列这6列上的36个像素P，以及各自指示行号和列号的附图标记。例如，布置在第一行、第四列处的像素P用附图标记“P14”标记。要注意的是，形成传感器单元10的像素阵列的行数和列数不受特别限制。
在传感器单元10的像素阵列的每一行上，用于供应控制信号PVSEL的控制线布置成在第一方向(图1中的水平方向)上延伸。控制线中的每一条分别连接到在第一方向上对齐的像素P，并形成这些像素P共用的信号线。控制线延伸的第一方向可以被称为行方向或水平方向。要注意的是，在图1中，供应给控制线中的每一条的控制信号PVSEL与指示行号的附图标记一起被例示。例如，第一行上的控制线标有附图标记“PVSEL[1]”。
每一行上的控制线连接到垂直选择电路21。垂直选择电路21是经由控制线向像素P提供用于驱动像素P中的信号生成电路(与下面描述的信号生成单元14对应)的控制信号PVSEL的电路单元。
在传感器单元10的像素阵列的每一列上，输出线POUT布置成在与第一方向交叉的第二方向(图1中的垂直方向)上延伸。输出线POUT中的每一条分别连接到在第二方向上对齐的像素P，并形成这些像素P共用的信号线。输出线POUT延伸的第二方向可以被称为列方向或垂直方向。要注意的是，在图1中，输出线POUT中的每一条与指示列号的附图标记一起例示出。例如，第四列中的输出线标有附图标记“POUT4”。输出线POUT中的每一条包括用于输出n位数字信号的n条信号线。
输出线POUT连接到信号处理电路22。信号处理电路22与传感器单元10的像素阵列的相应列相关联地设置，并且连接到对应列上的输出线POUT。每个信号处理电路22具有保持经由对应列上的输出线POUT从像素P读出的信号的功能。由于从像素P输出的信号与经由输出线POUT的n条信号线输入的n位信号对应，因此每个信号处理电路22包括至少n个用于保持相应位的信号的保持单元。
水平选择电路23是将用于从信号处理电路22读出信号的控制信号供应给信号处理电路22的电路单元。水平选择电路23经由控制线将控制信号PHSEL供应给每一列上的信号处理电路22。已经从水平选择电路23接收到控制信号PHSEL的信号处理电路22经由水平输出线HSIG向外部输出在保持单元中保持的信号，作为光电转换设备100的输出信号SOUT。要注意的是，在图1中，供应给每条控制线的控制信号PHSEL与指示列号的附图标记一起例示出。例如，第四列中的控制线标有附图标记“PHSEL[4]”。水平输出线HSIG包括用于输出由n位数字信号形成的输出信号SOUT的n条信号线。
控制电路24是用于提供控制垂直选择电路21、信号处理电路22和水平选择电路23的操作或操作定时的控制信号的电路单元。要注意的是，可以从光电转换设备100的外部提供控制垂直选择电路21、信号处理电路22和水平选择电路23的操作或操作定时的控制信号中的至少一些。
如图2所示，每个像素P包括雪崩倍增二极管D、猝灭(quench)单元12、脉冲转换单元13、信号生成单元14和时段检测单元15。
二极管D的阳极连接到供应电压VBIAS的电源节点。二极管D的阴极连接到淬灭单元12的一个端子和脉冲转换单元13的输入端子。下文中，将二极管D的阴极、淬灭单元12的一个端子和脉冲转换单元13的输入端子的连接节点称为节点PSIG。淬灭单元12的另一个端子连接到供应电压VDD的电源节点。脉冲转换单元13的输出端子连接到信号生成单元14的输入端子和时段检测单元15的输入端子。下文中，将脉冲转换单元13的输出端子、信号生成单元14的输入端子和时段检测单元15的输入端子的连接节点称为节点PDOUT。时段检测单元15将控制信号PCON输出到信号生成单元14。信号生成单元14将信号POUT[n-1:0]输出到对应列上的输出线POUT。
大于或等于击穿电压的反向偏置电压从电源节点施加到二极管D，该电源节点经由淬灭单元12供应电压VDD和VBIAS。电压VDD和电压VBIAS是分别供应给二极管D的电源电压。由此，二极管D处于能够以盖格模式(Geiger mode)操作的状态。当光子进入二极管D时，使用由入射光子激发的电子作为种子，通过雪崩倍增生成大量电子(和空穴)。当由雪崩倍增生成的电流在淬灭单元12中流动时，在淬灭单元12中发生电压降，因此，施加到二极管D的电压减小，并且二极管D的操作区域转变到非盖格模式(non-Geiger mode)。当二极管D的雪崩倍增停止时，淬灭单元12的电压降返回到原始状态，并且二极管D的操作区域再次转变到盖格模式。
脉冲转换单元13将二极管D的阴极(节点PSIG)的电位变化转换成其状态根据预定阈值转变的脉冲信号。利用这种配置，从脉冲转换单元13的输出端子(节点PDOUT)输出与光子的入射对应的电压脉冲。即，二极管D、淬灭单元12和脉冲转换单元13形成响应于光子的入射而输出脉冲的光接收部。
信号生成单元14是例如对从脉冲转换单元13输出的电压脉冲进行计数并将结果作为信号POUT[n-1:0]输出的信号生成电路。信号POUT[n-1:0]是n位数字信号。信号生成单元14的输出端子包括用于输出针对相应位的信号POUT[n-1:0]的n条信号线。
时段检测单元15是例如被配置为能够检测从脉冲转换单元13输出的电压脉冲的宽度(信号电平被维持在高电平或低电平的时段的长度)的检测电路。时段检测单元15检测从光接收部输出的电压脉冲的宽度是否超过预定阈值。然后，时段检测单元15将与检测结果相关联的控制信号PCON输出到信号生成单元14。即，时段检测单元15包括控制单元，该控制单元与电压脉冲的宽度的检测结果相关联地控制信号生成单元14。控制信号PCON是当指示光子的入射的电压脉冲的宽度超过预定阈值时状态转变的信号。
接下来，将通过使用图3A、图3B和图4更详细地描述脉冲转换单元13和时段检测单元15的操作。
当没有光子进入二极管D时，二极管D的阴极(节点PSIG)的电位处于电压VDD。此时，假设脉冲转换单元13的输出端子(节点PDOUT)的信号电平是预定的高电平。
图3A是例示当一个光子进入二极管D时脉冲转换单元13的操作的时序图。在图3A中，“PSIG”表示节点PSIG的电位，“PDOUT”表示节点PDOUT的电位。
如图3A所示，当光子在时间t1处进入二极管D时，由雪崩倍增生成的电流在淬灭单元12中流动，并且在淬灭单元12中发生电压降。由此，节点PSIG的电位从电压VDD逐渐减小。
在时间t2处，当节点PSIG的电位变得低于预定阈值Vth时，节点PDOUT的电位的电平从高电平转变到预定的低电平。
在时间t3处，当二极管D的操作区域超出盖格模式并且二极管D的雪崩倍增停止时，淬灭单元12的电压降开始返回到原始状态。
在时间t5处，当节点PSIG的电位变得高于或等于阈值Vth时，节点PDOUT的电位的电平从低电平返回到高电平。
以这种方式，一旦一个光子进入二极管D，其低电平时段是时段Tp1的电压脉冲从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT。时段Tp1的长度取决于形成二极管D的物理常数以及淬灭单元12和脉冲转换单元13的电路常数，并且基本上变为恒定值。
虽然图3A例示了针对一个光子入射生成一个电压脉冲的情况，但是对于光子入射的某些定时，光子入射可能不以一对一的方式与电压脉冲生成对应。将通过使用图3B的时序图来描述其一个示例。
图3B是例示当两个光子在短时间段内进入二极管D时脉冲转换单元13的操作的时序图。在图3B中，“PSIG”表示节点PSIG的电位，并且“PDOUT”表示节点PDOUT的电位。
如图3B所示，当光子在时间t1处进入二极管D时，由雪崩倍增生成的电流在淬灭单元12中流动并且在淬灭单元12中发生电压降。由此，节点PSIG的电位从电压VDD逐渐减小。
在时间t2处，当节点PSIG的电位变得低于预定阈值Vth时，节点PDOUT的电位的电平从高电平转变到预定的低电平。
在时间t3处，当二极管D的操作区域超出盖格模式并且二极管D的雪崩倍增停止时，淬灭单元12的电压降开始返回到原始状态。但是，例如，当在时间t3处再次存在入射光子时，节点PSIG的电位在超过阈值Vth之前在时间t4处再次减小。当由于第二光子的入射引起的雪崩倍增停止时，淬灭单元12的电压降开始返回。
在时间t6处，当节点PSIG的电位变得高于或等于阈值Vth时，节点PDOUT的电位的电平从低电平返回到高电平。
在这种情况下，当其低电平时段是时段Tp2的电压脉冲从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT时，从脉冲转换单元13输出的电压脉冲的数量小于进入二极管D的光子的数量。这种现象是由光子的入射率超过电压脉冲的生成率的事实造成的，并在高亮度环境中变得显著。
图4是例示节点PDOUT、信号POUT[n-1:0]和控制信号PCON的电位的关系的时序图。
在时间t1之前的时段中，由信号生成单元14输出的信号POUT[n-1：0]所表示的计数值是零(0)。另外，控制信号PCON在电压脉冲的宽度小于或等于预定阈值时处于预定的高电平，并在电压脉冲的宽度超过预定阈值时转变到预定的低电平。在时间t1之前的时段中，控制信号PCON处于高电平。
如图4所示，在时间t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9和t10的每个定时处存在入射光子。以这种方式，与光子的入射定时对应的电压脉冲被从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT。
信号生成单元14对从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲进行计数，并将其结果作为信号POUT[n-1:0]输出。图4例示了信号生成单元14对在时间t1，t2，t3......处响应于光子的入射定时而生成的电压脉冲进行计数并且与十进制数1，2，3......对应的计数值作为信号POUT[n-1:0]被顺序输出的情况。
这里，在时间t10处，从脉冲转换单元13输出宽度长于时段Tp1的电压脉冲，其中时段Tp1是与一个光子的入射对应的脉冲宽度。这是假设高亮度的光入射，如通过使用图3B所描述的。
当输出到节点PDOUT的电压脉冲的宽度(低电平时段的长度)超过预定时间段时，时段检测单元15使控制信号PCON从高电平转变到低电平。例如，如图4所示，当电压脉冲为低电平的时段的长度超过预定时间段时，在时间t11处，时段检测单元15使控制信号PCON从高电平转变到低电平。
例如，已经从时段检测单元15接收到低电平控制信号PCON的信号生成单元14输出与预定固定值Y2对应的数字值，作为信号POUT[n-1:0]。例如，固定值Y2可以被设定为与当光子的入射率超过脉冲生成率时获得的光量对应的脉冲计数值。
图5是例示像素P的光电转换特点的示例的曲线图。在图5中，横轴表示到像素P的入射光量，并且纵轴表示通过光子的入射生成的电压脉冲的计数值。纵轴上的值与由信号生成单元14输出的信号POUT[n-1:0]的值对应。
在到像素P的入射光量相对小的情况下，光子的入射基本上以一对一的方式与电压脉冲的生成对应，如通过使用图3A所描述的。因此，当光量小于或等于例如X2时，脉冲计数值也随着入射光量增加而增加。
但是，当到像素P的入射光量增加时，光子的入射率超过电压脉冲的生成率，并且这导致了响应于多个光子的入射而生成一个电压脉冲的状态，如通过使用图3B所描述的。随着到像素P的入射光量变大，这个程度变得更显著。
因此，当在没有时段检测单元15的像素配置中到像素P的入射光量超过光量X2时，脉冲计数值将随着光量增加而减小，如由图5中的虚线作为“比较例”所指示的。例如，在光量X1和光量X3中，脉冲计数值是相同的Y1，并且无法区分光量的差异。
另一方面，本实施例被配置为使得，当电压脉冲处于低电平的时段的长度超过预定时间段时，输出与预定固定值Y2对应的数字值作为信号POUT[n-1:0]。当这个固定值Y2被设定为与光量X2对应的脉冲数累积相加值时，脉冲计数值在光量X2或更大处变为固定值Y2，如由图5中的实线作为“示例”所指示的。因此，能够防止脉冲计数值在超过光量X2时减小，并且减少计数值的误差。
以这种方式，在根据本实施例的光电转换设备中，时段检测单元15检测从脉冲转换单元13输出的电压脉冲的脉冲宽度的时段，并将其状态根据预定阈值转变的控制信号PCON输出到信号生成单元14。由此，信号生成单元14能够确定光子的入射率是否超过电压脉冲的生成率，并且能够减少高亮度下计数值的误差。
以这种方式，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，可以减少高亮度下计数值的误差。这能够改善高亮度下的光电转换操作。
[第二实施例]
将参考图6和图7描述根据本发明第二实施例的光电转换设备及其驱动方法。与根据第一实施例的光电转换设备的部件类似的部件用相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。图6是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。图7是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
在本实施例中，将描述信号生成单元14的更具体配置和操作的一个示例。如图6所示，根据本实施例的光电转换设备中的信号生成单元14包括计数器单元16和选择器单元17。计数器单元16连接到脉冲转换单元13和时段检测单元15。选择器单元17连接到计数器单元16。
计数器单元16对从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲的数量进行计数，并将表示计数值的信号DO[n-1:0]输出到选择器单元17。图6例示了计数器单元16包括n位计数器的情况作为示例。另外，计数器单元16被配置为响应于从时段检测单元15供应的控制信号PCON而停止计数操作。
选择器单元17基于从垂直选择电路21供应的控制信号PVSEL将从计数器单元16输出的信号DO[n-1:0]输出到输出线POUT，作为信号POUT[n-1:0]。从计数器单元16向其输出信号DO[n-1:0]的信号线和输出线POUT中的每一个包括用于输出n位数字信号的n条信号线。
图7是例示节点PDOUT、控制信号PCON、信号DO[n-1:0]、控制信号PVSEL和信号POUT[n-1:0]的电位的关系的时序图。
在时间t1之前的时段中，由计数器单元16输出的信号DO[n-1:0]所指示的计数值为零(0)。另外，控制信号PCON在电压脉冲的宽度小于或等于预定阈值时处于预定的高电平，并且在电压脉冲的宽度超过预定阈值时转变到预定的低电平。在时间t1之前的时段中，控制信号PCON处于高电平。在时间t1之前的时段中，控制信号PVSEL处于低电平。
如图7所示，在时间t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10和t12的每个定时处，存在入射光子。由此，与光子的入射定时对应的电压脉冲被从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT。
计数器单元16对从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲进行计数，并输出计数结果作为信号DO[n-1:0]。图7例示了计数器单元16对在时间t1，t2，t3......处根据光子的入射定时生成的电压脉冲进行计数并且顺序输出与十进制1，2，3......对应的计数值作为信号DO[n-1:0]的情况。
这里，在时间t10处，从脉冲转换单元13输出宽度长于时段Tp1的电压脉冲，其中时段Tp1是与一个光子的入射对应的脉冲宽度。这是假设高亮度的光入射，如通过使用图3B所描述的。
当输出到节点PDOUT的电压脉冲的宽度(低电平时段的长度)超过预定时间段时，时段检测单元15使控制信号PCON从高电平转变到低电平。例如，如图7所示，当电压脉冲处于低电平的时段的长度超过预定时间段时，在时间t11处，时段检测单元15使控制信号PCON从高电平转变到低电平。
计数器单元16响应于接收到低电平控制信号PCON而停止计数操作，并保持在计数操作停止时的计数值。即使在随后的时间t12处从脉冲转换单元13输出电压脉冲，计数器单元16也直接保持计数值，而不进行改变。
在时间t13处，响应于从垂直选择电路21供应的控制信号PVSEL被控制为高电平，选择器单元17将由计数器单元16保持的计数值输出到输出线POUT作为信号POUT[n-1:0]。
如上所述，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，能够减少高亮度下计数值的误差。这能够改善高亮度下的光电转换操作。
[第三实施例]
将参考图8和图9描述根据本发明第三实施例的光电转换设备及其驱动方法。与根据第一实施例和第二实施例的光电转换设备的部件类似的部件用相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。图8是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。图9是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
在本实施例中，将描述信号生成单元14的更具体配置和操作的另一个示例。如图8所示，除了第二实施例中描述的计数器单元16和选择器单元17之外，根据本实施例的光电转换设备中的信号生成单元14还包括替代信号生成单元18。计数器单元16连接到脉冲转换单元13和时段检测单元15。选择器单元17连接到计数器单元16和替代信号生成单元18。
计数器单元16对从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲的数量进行计数，并将表示计数值的信号DO1[n-1:0]输出到选择器单元17。图8例示了计数器单元16包括n位计数器的情况作为一个示例。
替代信号生成单元18生成并输出表示预定义替代信号值的信号DO2[n-1:0]，该预定义替代信号值可以是由计数器单元16输出到选择器单元17的计数值的替代值。
选择器单元17基于从时段检测单元15供应的控制信号PCON，选择从计数器单元16供应的信号DO1[n-1:0]和从替代信号生成单元18供应的信号DO2[n-1:0]中的一个。然后，选择器单元17基于从垂直选择电路21供应的控制信号PVSEL，将所选择的信号(信号DO1[n-1:0]或信号DO2[n-1:0])输出到输出线POUT。从计数器单元16向其输出信号DO1[n-1:0]的信号线、从替代信号生成单元18向其输出信号DO2[n-1:0]的信号线以及输出线POUT中的每一个包括用于输出n位数字信号的n条信号线。
图9是例示节点PDOUT、控制信号PCON、信号DO1[n-1:0]、控制信号PVSEL和信号POUT[n-1:0]的电位的关系的时序图。
在时间t1之前的时段中，由计数器单元16输出的信号DO1[n-1:0]所指示的计数值为零(0)。另外，控制信号PCON在电压脉冲的宽度小于或等于预定阈值时处于预定的高电平，并且在电压脉冲的宽度超过预定阈值时转变到预定的低电平。在时间t1之前的时段中，控制信号PCON处于高电平。另外，在时间t1之前的时段中，控制信号PVSEL处于低电平。
如图9所示，在时间t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10和t12的每个定时处，存在入射光子。由此，与光子的入射定时对应的电压脉冲被从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT。
计数器单元16对从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲进行计数，并输出计数结果作为信号DO1[n-1:0]。图9例示了计数器单元16对在时间t1，t2，t3......处根据光子的入射定时生成的电压脉冲进行计数并且顺序输出与十进制1，2，3......对应的计数值作为信号DO1[n-1:0]的情况。
这里，在时间t10处，从脉冲转换单元13输出宽度长于时段Tp1的电压脉冲，其中时段Tp1是与一个光子的入射对应的脉冲宽度。这是假设高亮度的光入射，如通过使用图3B所描述的。
当输出到节点PDOUT的电压脉冲的宽度(低电平时段的长度)超过预定时间段时，时段检测单元15使控制信号PCON从高电平转变到低电平。例如，如图9所示，当电压脉冲处于低电平的时段的长度超过预定时间段时，在时间t11处，时段检测单元15使控制信号PCON从高电平转变到低电平。由此，选择器单元17处于从信号DO1[n-1:0]和信号DO2[n-1:0]中选择信号DO2[n-1:0]的状态。
在时间t13处，响应于从垂直选择电路21供应的控制信号PVSEL被控制为高电平，选择器单元17输出由替代信号生成单元18保持的替代信号值作为信号POUT[n-1:0]。图9例示了由替代信号生成单元18保持的替代信号值是n位计数器中的最大值2n-1的情况作为一个示例。
如上所述，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，能够减少高亮度下计数值的误差。这能够改善高亮度下的光电转换操作。
[第四实施例]
将参考图10和图11描述根据本发明第四实施例的光电转换设备及其驱动方法。与根据第一实施例至第三实施例的光电转换设备的部件类似的部件用相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。图10是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。图11是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
在本实施例中，将描述像素P的更具体配置和操作的另一个示例。根据本实施例的光电转换设备的像素P以与通过使用图6描述的第二实施例类似的方式包括雪崩倍增二极管D、淬灭单元12、脉冲转换单元13、时段检测单元15、计数器单元16和选择器单元17。计数器单元16和选择器单元17与图6的信号生成单元14对应。
淬灭单元12可以由p沟道MOS晶体管Mq形成。p沟道MOS晶体管Mq的漏极连接到二极管D的阴极和脉冲转换单元13的输入端子。p沟道MOS晶体管Mq的源极连接到向其供应电压VDD的电源节点。p沟道MOS晶体管的栅极连接到电源，该电源供应用于获得预定淬灭阻力(quench resistance)的电压VQNC。
脉冲转换单元13可以由反相器电路G1形成。反相器电路G1的输入端子与脉冲转换单元13的输入端子对应，并且反相器电路G1的输出端子与脉冲转换单元13的输出端子对应。
计数器单元16包括NOT电路Ga1和由n个触发器电路Fa0至Fa(n-1)形成的n位计数器。
反相器电路G1的输出端子(也是脉冲转换单元13的输出端子(节点PDOUT))，连接到触发器电路Fa0的一个输入端子(CK)和NOT电路Ga1的输入端子。NOT电路Ga1的输出端子连接到触发器电路Fa0的另一个输入端子(/CK)。触发器电路Fa0至Fa(n-1)级联连接，使得低位(第m位)的触发器电路Fam的输出端子和高位(第(m+1)位)的触发器电路Fa(m+1)的输入端子彼此连接。例如，触发器电路Fa0的输出端子(Q)连接到触发器电路Fa1的输入端子(CK)，并且触发器电路Fa0的输出端子(/Q)连接到触发器电路Fa1的输入端子(/CK)。由此，计数器单元16形成n位计数器，其对从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲的数量进行计数。
作为计数器单元16的输出的信号DO[n-1:0]的每一位的值从触发器电路Fa0至Fa(n-1)中的每一个的输出端子(/Q)输出。例如，第0位值(信号DO[0])从触发器电路Fa0的输出端子(/Q)输出。第一位值(信号DO[1])从触发器电路Fa1的输出端子(/Q)输出。第(n-1)位值(信号DO[n-1])从触发器电路Fa(n-1)的输出端子(/Q)输出。要注意的是，这里例示了低电平有效(active low)情况的配置。另外，触发器电路Fa0至Fa(n-1)的每个复位端子(RS)共同连接到向其供应控制信号RSB的信号线。由此，计数器单元16能够通过控制信号RSB复位计数值。即，当控制信号RSB处于低电平时，计数器单元16的计数值被复位。
时段检测单元15包括逻辑电路和计数器单元19，该逻辑电路包括NAND电路G2、NOR电路G3、G4和G6以及NOT电路G5。计数器单元19包括NOT电路Gb1以及由两个触发器电路Fb0和Fb1形成的两位计数器。要注意的是，计数器单元19可以由三位或更多位的计数器形成。
反相器电路G1的输出端子(节点PDOUT)(也是脉冲转换单元13的输出端子)，还连接到NAND电路G2的一个输入端子和NOR电路G4的一个输入端子。NAND电路G2的另一个输入端子连接到向其供应时钟信号CCK的信号线。NAND电路G2的输出端子连接到NOR电路G3的一个输入端子。NOR电路G4的输出端子连接到NOR电路G6的一个输入端子。NOT电路G5的输入端子连接到向其供应控制信号RSB的信号线。NOT电路G5的输出端子连接到NOR电路G6的另一个输入端子。
NOR电路G3的输出端子连接到触发器电路Fb0的输入端子(CK)和NOT电路Gb1的输入端子。NOT电路Gb1的输出端子连接到触发器电路Fb0的输入端子(/CK)。NOR电路G6的输出端子连接到触发器电路Fb0和Fb1的复位端子(RS)。触发器电路Fb0的输出端子(Q)连接到触发器电路Fb1的输入端子(CK)。触发器电路Fb0的输出端子(/Q)连接到触发器电路Fb1的输入端子(/CK)。由此，计数器单元19形成对从NOR电路G3输出到作为输入端子的节点L1的电压脉冲的数量进行计数的两位计数器。从触发器电路Fb0的输出端子(Q)输出的信号CO[0]的值与计数器单元19的计数值的第0位值对应。另外，从触发器电路Fb1的输出端子(Q)输出的信号CO[1]的值与计数器单元19的计数值的第一位值对应。触发器电路Fb1的输出端子(Q)连接到NOR电路G3的另一个输入端子和NOR电路G4的另一个输入端子。
由此，当触发器电路Fb1的输出Q处于低电平并且节点PDOUT处于高电平时获得的时钟信号CCK被选择性地输入到与计数器单元19的输入端子对应的节点L1。即，计数器单元19被配置为当触发器电路Fb1的输出Q处于低电平并且节点PDOUT处于高电平时对输入的时钟信号CCK的数量进行计数。要注意的是，当计数器单元19的计数值小于或等于一(1)时，触发器电路Fb1的输出Q处于低电平。
另外，计数器单元19被配置为使得当控制信号RSB处于低电平时计数器单元19的计数器值被复位，否则当触发器电路Fb1的输出Q处于低电平且节点PDOUT处于低电平时被复位。
因此，计数器单元19对其中最高有效位值为零(0)(触发器电路Fb1的输出Q处于低电平)且节点PDOUT处于高电平的每个时段的时钟信号CCK的数量进行计数。因此，由计数器单元19指示的计数值用作表示输出到节点PDOUT的电压脉冲持续处于高电平的时段的长度(即，电压脉冲的宽度)的指标。
选择器单元17包括与计数器单元16的相应位相关联的n个开关SW0至SW(n-1)和n个NAND电路Gs0至Gs(n-1)。例如，开关SW0至SW(n-1)中的每一个可以由n沟道MOS晶体管形成。
NAND电路Gs0，GS1，...，Gs(n-1)的一个输入端子分别连接到计数器单元16的触发器电路Fa0，Fa1，...，Fa(n-1)的输出端子(/Q)。NAND电路Gs0，Gs1，...，Gs(n-1)的另一个输入端子共同连接到计数器单元19的触发器电路Fb1的输出端子(/Q)。从计数器单元19的触发器电路Fb1的输出端子(/Q)输出的信号是控制信号PCON。
NAND电路Gs0的输出端子连接到形成开关SW0的n沟道MOS晶体管的源极。类似地，NAND电路Gs1的输出端子连接到形成开关SW1的n沟道MOS晶体管的源极。形成开关SW0，SW1，......，SW(n-1)的n沟道MOS晶体管的漏极中的每一个连接到由n条信号线形成的输出线POUT的对应位的信号线。形成开关SW0和SW1的n沟道MOS晶体管的栅极连接到从垂直选择电路21向其供应控制信号PVSEL的控制线。
由此，当控制信号PVSEL处于高电平时，如果控制信号PCON处于高电平，那么选择器单元17将信号DO[0]，DO[1]，...，DO[n-1]输出到由n条信号线形成的输出线POUT的对应位的信号线。即，输出到输出线POUT的信号POUT[n-1:0]与由计数器单元16输出的信号DO[n-1:0]相同。另外，当控制信号PVSEL处于高电平时，如果控制信号PCON处于低电平，那么选择器单元17将高电平信号输出到由n条信号线形成的输出线POUT的所有信号线。即，由输出到输出线POUT的信号POUT[n-1:0]表示的计数值是n位计数器中的最大值2n-1。
图11是例示节点PDOUT和L1、时钟信号CCK、控制信号RSB、PCON和PVSEL以及信号DO[n-1:0]、CO[1:0]和POUT[n-1:0]的电位的关系的时序图。
在时间t0之前的时段中，控制信号RSB处于低电平。如前所述，当控制信号RSB处于低电平时，计数器单元16和计数器单元19处于复位状态。由计数器单元16输出的信号DO[n-1:0]所指示的计数值和由计数器单元19输出的信号CO[1:0]所指示的计数值均为零(0)。响应于触发器电路Fb1的输出(/Q)，控制信号PCON转变到高电平。另外，在时间t0之前的时段中，控制信号PVSEL处于低电平。
在时间t0处，将控制信号RSB从低电平控制到高电平，并且计数器单元16的复位状态被释放。一旦光子进入二极管D，与光子的入射定时对应的电压脉冲就从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT。在脉冲转换单元13由反相器电路G1形成的本实施例中，节点PDOUT在没有光子入射时处于低电平，并且节点PDOUT响应于光子入射而处于高电平。计数器单元16对输出到节点PDOUT的电压脉冲的数量进行计数，并输出指示计数值的信号DO[n-1:0]。
在时间t0之后，在时间t1、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10和t13的定时处，在节点PDOUT处生成电压脉冲。计数器单元16对这些电压脉冲的数量进行计数。当计数到在时间t13处上升的电压脉冲时，计数器单元16的计数值变为十进制10。
另一方面，一旦节点PDOUT转变到高电平，NAND电路G2的输出就与时钟信号CCK同步地转变到低电平。由此，与在节点PDOUT处生成的电压脉冲同步的电压脉冲和时钟信号CCK被输出到作为NOR电路G3的输出端子的节点L1。另外，响应于节点PDOUT转变到高电平，NOR电路G4的输出转变到低电平，并且释放计数器单元19的复位状态。由此，计数器单元19对输出到节点L1的电压脉冲的数量进行计数。
仅在其中节点PDOUT处于高电平的时段期间连续执行计数器单元19的计数操作。响应于节点PDOUT转变到低电平，计数器单元19返回到复位状态。例如，一旦在时间t1处从脉冲转换单元13输出电压脉冲，节点PDOUT就转变到高电平，并且节点L1转变到高电平，计数器单元19对这个电压脉冲进行计数，并且计数器单元19的计数值变为一(1)。响应于节点PDOUT在时间t2处转变到低电平，计数器单元19处于复位状态，并且计数器单元19的计数值返回到零(0)。
在时间t12处，计数器单元19的最高有效位值变为一(1)。这与在图10中例示的示例中计数器单元19的计数值变为十进制二(2)的情况对应。然后，与最高有效位对应的触发器电路Fb1的输出(Q)转变到高电平，节点L1被固定到低电平，并且计数器单元19中的向上计数停止。另外，作为触发器电路Fb1的输出(/Q)的控制信号PCON从高电平转变到低电平。
控制信号PVSEL在时间t12之后的时间t14处从低电平转变到高电平，并且高电平信号被输出到由n条信号线形成的输出线POUT的所有信号线。即，由输出到输出线POUT的信号POUT[n-1:0]表示的计数值变为n位计数器中的最大值2n-1。
要注意的是，在图11中，当控制信号PVSEL在时间t12之前的定时从低电平转变到高电平时，与由计数器单元16输出的信号DO[n-1:0]相同的信号POUT[n-1:0]被输出到输出线POUT。
如上所述，时段检测单元15通过使用与时钟信号CCK同步的计数器单元19检测从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲的宽度，并向选择器单元17输出其状态根据预定阈值转变的控制信号PCON。由此，选择器单元17可以选择或者光子计数信号或者预定的固定信号作为像素P的输出信号。因此，可以确定进入每个像素P的光子的入射率是否高于电压脉冲的生成率，并且可以减少高亮度下计数值的误差。
如以上所讨论的，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，能够减少高亮度下计数值的误差。这能够改善高亮度下的光电转换操作。
[第五实施例]
将参考图12和图13描述根据本发明第五实施例的光电转换设备及其驱动方法。与根据第一实施例至第四实施例的光电转换设备的部件类似的部件用相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。图12是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的配置示例的示意图。图13是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的操作的时序图。
在本实施例中，将描述像素P的更具体配置和操作的另一个示例。除了时段检测单元15的配置之外，根据本实施例的光电转换设备的像素P与通过使用图11描述的根据第四实施例的光电转换设备的像素P相同。如图12所示，本实施例中的像素P的时段检测单元15包括：逻辑电路，该逻辑电路包括AND电路G7和NOT电路G8；p沟道MOS晶体管M1、M2和Mc；n沟道MOS晶体管M3以及锁存电路DL1。
反相器电路G1的输出端子(节点PDOUT)(也是脉冲转换单元13的输出端子)连接到AND电路G7的三个输入端子之一。AND电路G7的三个输入端子中的另外两个连接到向其供应控制信号RSB的信号线和锁存电路DL1的输出端子(/Q)。AND电路G7的输出端子连接到NOT电路G8的输入端子和锁存电路DL1的时钟端子(CK)。
作为NOT电路G8的输出端子的节点L2连接到p沟道MOS晶体管M1的栅极和n沟道MOS晶体管M3的栅极。p沟道MOS晶体管M1的源极连接到向其供应电压VDD的电源节点。p沟道MOS晶体管M1的漏极连接到p沟道MOS晶体管M2的源极。p沟道MOS晶体管M2的栅极和n沟道MOS晶体管M3的源极连接到向其供应电压VSS的电源节点。
p沟道MOS晶体管M2的漏极和n沟道MOS晶体管M3的漏极连接到p沟道MOS晶体管Mc的栅极和锁存电路DL1的输入端子(D)。p沟道MOS晶体管M2的漏极、n沟道MOS晶体管M3的漏极、p沟道MOS晶体管Mc的栅极和锁存电路DL1的输入端子(D)的连接部分是节点L3。p沟道MOS晶体管Mc的源极和漏极连接到向其供应电压VDD的电源节点。锁存电路DL1的复位端子(RS)连接到向其供应控制信号RSB的信号线。锁存电路DL1的输出端子(/Q)分别连接到选择器单元17的NAND电路Gs0，Gs1，...，Gs(n-1)的另一个输入端子。从锁存电路DL1的输出端子(/Q)输出的信号是控制信号PCON。
p沟道MOS晶体管Mc的源极和漏极共同连接到向其供应电压VDD的电源节点，并形成用于形成积分电路的MOS电容器。当控制信号RSB和控制信号PCON处于高电平时，节点PDOUT的反相信号传播到节点L2。p沟道MOS晶体管M1和n沟道MOS晶体管M3形成反相器电路，其中节点L2是输入端子，节点L3是输出端子。p沟道MOS晶体管M1、M2和Mc以及n沟道MOS晶体管M3被配置为使得节点L3的对应于节点L2的响应缓慢地上升并快速地下降。
图13是例示节点PDOUT、L2和L3、控制信号RSB、PCON和PVSEL以及信号DO[n-1:0]和POUT[n-1:0]的电位的关系的时序图。
在时间t0之前的时段中，控制信号RSB处于低电平。当控制信号RSB处于低电平时，计数器单元16和锁存电路DL1处于复位状态。即，由计数器单元16输出的信号DO[n-1:0]所指示的计数值为零(0)。另外，响应于锁存电路DL1的输出(/Q)，控制信号PCON转变到高电平。另外，在时间t0之前的时段中，控制信号PVSEL处于低电平。
在时间t0处，控制信号RSB从低电平被控制到高电平，并且计数器单元16的复位状态被释放。一旦光子进入二极管D，与光子的入射定时对应的电压脉冲就从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT。计数器单元16对输出到节点PDOUT的电压脉冲的数量进行计数，并输出指示计数值的信号DO[n-1:0]。
在时间t0之后，在时间t1、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10和t12的定时处，在节点PDOUT处生成电压脉冲。计数器单元16对这些电压脉冲的数量进行计数。当计数到在时间t12处上升的电压脉冲时，计数器单元16的计数值变为十进制10。
在时间t1处，一旦节点L2响应于节点PDOUT的电位改变而转变到低电平，节点L3的电位就开始上升。在时间t2处，当节点L2返回到高电平时，节点L3的电位立即下降并达到低电平。当节点L2为低电平的时段较长时，即，当入射光量较大时，节点L3的电位较高。当入射光量小并且光子的入射以一对一的方式与电压脉冲的生成对应时，节点L3的电位不超过锁存电路LD1的阈值Vtld并且控制信号PCON保持处于高电平。然后，从时间t3到时间t10，类似地，执行计数器单元16的计数操作。
在时间t11处，节点L3的电位超过锁存电路LD1的阈值Vtld。作为响应，执行锁存电路LD1的锁存操作，并且作为锁存电路LD1的输出(/Q)的控制信号PCON从高电平转变到低电平。由此，节点L2转变到高电平，并且节点L3的电位立即下降并达到低电平。
在随后的时间t12处，响应于在节点PDOUT处电压脉冲的生成，在执行计数器单元16的计数操作时，控制信号PCON处于低电平，并且因此节点L2保持在高电平处。因此，控制信号PCON维持在低电平处。
当控制信号PVSEL在时间t11之后的时间t13处从低电平转变到高电平时，选择器单元17响应于低电平控制信号PCON而向由n条信号线形成的输出线POUT的所有信号线输出高电平信号。即，由输出到输出线POUT的信号POUT[n-1:0]表示的计数值变为n位计数器中的最大值2n-1。
要注意的是，在图13中，当控制信号PVSEL在时间t11之前的定时从低电平转变到高电平时，与由计数器单元16输出的信号DO[n-1:0]相同的信号POUT[n-1:0]被输出到输出线POUT。
如上所述，时段检测单元15通过利用与电压脉冲同步的信号的响应速度来检测从脉冲转换单元13输出到节点PDOUT的电压脉冲的宽度，并向选择器单元17输出其状态根据预定阈值转变的控制信号PCON。由此，选择器单元17可以选择或者光子计数信号或者预定的固定信号作为像素P的输出信号。因此，可以确定进入每个像素P的光子的入射率是否高于电压脉冲的生成率，并且可以减少高亮度下计数值的误差。
根据本实施例的光电转换设备具有比根据第四实施例的光电转换设备更少的元件，此外，不需要时钟信号线，因此能够实现高集成度。
如以上所讨论的，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，能够减少高亮度下计数值的误差。这能够改善高亮度下的光电转换操作。
[第六实施例]
将参考图14描述根据本发明第六实施例的光电转换设备。在本实施例中，控制施加到二极管D的反向偏置电压，使得二极管D在输出到节点PDOUT的电压脉冲的宽度(低电平时段的长度)超过预定时间段时从盖格模式转变到非盖格模式。时段检测单元15执行对施加到二极管D的反向偏置电压的控制。
图14例示了根据本实施例的光电转换设备中的像素P的配置示例。在本实施例中，时段检测单元15将控制信号PCON2输出到淬灭单元12。要注意的是，图14的控制信号PCON1是第一实施例的控制信号PCON。
控制信号PCON2也是以与控制信号PCON1相同的方式在指示光子入射的电压脉冲的宽度超过预定阈值时其状态转变的信号。
也如同在第一实施例中所描述的，大于或等于击穿电压的反向偏置电压从供应盖格模式中的电压VDD或VBIAS的电源节点经由淬灭单元12施加到二极管D。当控制信号PCON2处于高电平时，淬灭单元12执行与第一实施例相同的操作。即，存在启用雪崩倍增的状态作为盖格模式，并且雪崩倍增的发生导致转变到非盖格模式。然后，模式再次转变到盖格模式。另一方面，一旦控制信号PCON2从高电平变为低电平，淬灭单元12就操作以便不执行从非盖格模式到盖格模式的转变。例如，电压VQNC被控制成关断沟道MOS晶体管Mq的电压，并且电压VDD和二极管D之间的电路径断开。由此，在通过雪崩倍增从盖格模式转变到非盖格模式之后，二极管D不返回盖格模式并且维持在非盖格模式达预定时段。例如，这个预定时段可以是从转变到非盖格模式的时间到开始与下一帧对应的曝光时段的时间的时段。
由此，由于可以防止在二极管D中发生雪崩倍增，因此能够减少二极管D的功耗。
要注意的是，虽然在本实施例中控制信号PCON1如第一实施例的控制信号PCON那样被输出到信号生成单元14，但是可以通过不输出控制信号PCON1来减少二极管D的功耗，因此建立本实施例。
另外，虽然在本实施例中由控制信号PCON2控制淬灭单元12，但是二极管D可以通过控制电压VDD和电压VBIAS中的一个或两个来维持在非盖格模式达预定时段。可替代地，可以在二极管D和电压VBIAS的节点之间提供开关，并且该开关可以被控制成在控制信号PCON2处于低电平时不导通。
根据本实施例，能够减少高亮度下二极管D的功耗。由此，能够减少由于功耗增加引起的光电转换设备的发热，并且也能够抑制光电转换设备的其它像素P的故障(雪崩倍增的操作点的波动、像素P的不稳定操作等)。
要注意的是，已经基于第一实施例的配置描述了本实施例，但是可以将本实施例应用于其它实施例。
[第七实施例]
将通过使用图15描述根据本发明第七实施例的成像系统。图15是例示根据本实施例的成像系统的配置示例的框图。
如图15所示，根据本实施例的成像系统200包括屏障201、透镜202、孔径203、光电转换设备204和AF传感器205。透镜202是用于捕获物体的光学图像的光学系统。屏障201保护透镜202。孔径203用于调节通过透镜202的光的光量。光电转换设备204通过使用在第一实施例至第六实施例中描述的光电转换设备100来形成，其用于获取由透镜202捕获的物体的光学图像作为图像信号。AF传感器205用于获取焦点检测所需的信号。
另外，成像系统200还包括信号处理单元208。信号处理单元208用于执行对从光电转换设备204或AF传感器205输出的信号的处理或者对获取的图像数据执行各种校正的处理或者压缩数据的处理。
另外，成像系统200还包括存储器单元209、外部I/F电路210、定时生成单元211、通用控制/操作单元212和存储介质控制I/F单元213。存储器单元209用于临时存储图像数据。外部I/F电路210用于与诸如外部计算机215之类的外部设备通信。定时生成单元211用于将各种定时信号输出到信号处理单元208等。通用控制/操作单元212用于控制各种计算和整个相机。存储介质控制I/F单元213用于与诸如半导体存储器之类的可移动存储介质214传送数据，用于存储所获取的图像数据或读出图像数据。
当打开屏障201时，来自物体的光学图像经由透镜202和孔径203进入AF传感器205。基于来自AF传感器205的输出信号，通用控制/操作单元212通过使用上述相位差检测方案来计算到物体的距离。然后，通用控制/操作单元212基于计算结果驱动透镜202，再次确定是否在捕获表面上获得了聚焦，并且当确定未获得聚焦时，执行自动聚焦控制以再次驱动透镜202。
接下来，在确认聚焦之后，开始光电转换设备204的电荷累积操作。在完成光电转换设备204的电荷累积操作时，从光电转换设备204输出的图像信号经由信号处理单元208由通用控制/操作单元212写入存储器单元209。
然后，通过通用控制/操作单元212的控制，累积在存储器单元209中的数据经由存储介质控制I/F单元213被存储在存储介质214中。可替代地，累积在存储器单元209中的数据可以经由外部I/F电路210直接输入到外部计算机215等。
如第一实施例至第六实施例中所描述的，使用上述实施例中例示的光电转换设备100能够减少高亮度下计数值的误差。因此，根据使用光电转换设备204的本实施例的成像系统，能够获得更高质量的图像。
[第八实施例]
将通过使用图16A和图16B描述根据本发明第八实施例的成像系统和可移动物体。图16A是例示根据本实施例的成像系统的配置的图。图16B是例示根据本实施例的可移动物体的配置的图。
图16A例示了与车载相机相关的成像系统的示例。成像系统300包括成像设备310。成像设备310是在以上第一实施例至第六实施例中的任何一个实施例中描述的光电转换设备100。成像系统300包括对由成像设备310获取的多个图像数据执行图像处理的图像处理单元312，以及根据由成像系统300获取的多个图像数据计算视差(parallax)(视差图像的相位差)的视差获取单元314。另外，成像系统300包括基于计算出的视差来计算到物体的距离的距离获取单元316，以及基于计算出的距离确定是否存在碰撞可能性的碰撞确定单元318。在这里，视差获取单元314和距离获取单元316是获取关于到物体的距离的距离信息的距离信息获取设备的示例。即，距离信息是关于视差、散焦量、到物体的距离等的信息。碰撞确定单元318可以使用任何上述距离信息来确定碰撞可能性。距离信息获取设备可以由专门设计的硬件实现，或者可以由软件模块实现。另外，距离信息获取设备可以由现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等实现，或者可以由它们的组合来实现。
成像系统300连接到车辆信息获取设备320，并且可以获取诸如车辆速度、横摆率、转向角等车辆信息。另外，成像系统300连接到控制ECU 330，控制ECU 330是基于碰撞确定单元318的确定结果输出用于使车辆生成制动力的控制信号的控制设备。另外，成像系统300还连接到警报设备340，警报设备340基于碰撞确定单元318的确定结果向驾驶员发出警报。例如，当作为碰撞确定单元318的确定结果是碰撞概率高时，控制ECU 330通过施加制动、推回加速器、抑制引擎动力等来执行车辆控制以避免碰撞或减少损坏。警报设备340通过发出诸如声音之类的警报、在汽车导航系统等的显示器上显示警报信息、向座椅安全带或方向盘提供振动等来警告用户。
在本实施例中，通过使用成像系统300捕获车辆周围的区域，例如，前部区域或后部区域。图16B例示了当捕获车辆的前部区域(捕获区域350)时的成像系统。车辆信息获取设备320将指令发送到成像系统300或成像设备310。这种配置还能够进一步提高测距准确度。
虽然上面已经描述了用于避免与另一个车辆碰撞的控制的示例，但是实施例也能够应用于用于跟随另一个车辆的自动驾驶控制、用于不离开行车道的自动驾驶控制等。此外，成像系统不限于诸如对象车辆(subject vehicle)之类的车辆，而是还能够应用于诸如船舶、飞机或工业机器人之类的可移动物体(移动装置)。此外，成像系统能够广泛应用于利用物体识别的设备，诸如智能交通系统(ITS)，而不限于可移动物体。
[修改实施例]
本发明不限于上述实施例，并且可以进行各种修改。
例如，其中将任何实施例的配置的一部分添加到另一个实施例的示例或者其中将任何实施例的配置的一部分用另一个实施例的配置的一部分替换的示例是本发明的实施例之一。
另外，形成上述第一实施例至第六实施例的光电转换设备中的像素P的像素电路不限于所例示的那些。
另外，形成时段检测单元15的计数器单元19的计数器电路在上述第四实施例中由两位计数器形成，但是可以由三位或更多位计数器形成。形成计数器单元19的计数器电路可以根据作为参考的电压脉冲宽度被适当地改变。
另外，以上第七实施例和第八实施例中例示的成像系统是可以向其应用本发明的光电转换设备的成像系统示例，并且可以向其应用本发明的光电转换设备的成像系统不限于图15和图16A中例示的配置。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以涵盖所有这种修改以及等同的结构和功能。

Claims (18)

1.一种光电转换设备，其特征在于，包括多个像素，所述多个像素中的每个像素包括：
响应于光子的入射而输出脉冲的光接收部；
基于来自光接收部的输出而输出信号的信号生成单元，以及
检测从光接收部输出的脉冲的宽度是否超过预定阈值的检测单元，
其中信号生成单元包括计数器，该计数器被配置为对从光接收部输出的脉冲进行计数，以及
其中检测单元连接到与光接收部和计数器连接的节点。
2.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中信号生成单元被配置为基于来自检测单元的检测结果和计数器的脉冲计数值来生成信号。
3.根据权利要求2所述的光电转换设备，其中信号生成单元被配置为
当脉冲的宽度小于或等于阈值时，输出指示计数器的脉冲计数值的信号，以及
当脉冲的宽度超过阈值时，输出指示预定值的信号。
4.根据权利要求3所述的光电转换设备，其中所述预定值是与当光子到光接收部的入射率高于光接收部处的脉冲生成率时的光量对应的脉冲计数值。
5.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中信号生成单元被配置为
当脉冲的宽度小于或等于阈值时，输出指示计数器的脉冲计数值的信号，以及
当脉冲的宽度超过阈值时，停止计数器的计数并输出指示计数器的脉冲计数值的信号。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换设备，其中检测单元包括控制单元，该控制单元响应于检测结果而控制信号生成单元。
7.根据权利要求6所述的光电转换设备，其中控制单元包括锁存电路，当由检测单元检测到的脉冲的宽度超过阈值时，该锁存电路的状态转变。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换设备，其中检测单元包括用于检测脉冲的宽度的计数器电路。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换设备，其中检测单元包括用于检测脉冲的宽度的积分电路。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换设备，其中阈值大于由一个光子的入射生成的脉冲的宽度。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换设备，其中光接收部包括
二极管，以盖格模式操作，并根据光子的入射输出信号，
淬灭单元，响应于从二极管输出的信号而使二极管转变到非盖格模式，以及
脉冲转换单元，将二极管的输出信号转换成脉冲信号。
12.根据权利要求11所述的光电转换设备，其中当由检测单元检测到从光接收部输出的脉冲的宽度超过阈值时，将二极管维持为非盖格模式达预定时段。
13.根据权利要求12所述的光电转换设备，
其中淬灭单元设置在电源节点和二极管之间的电路径上，以及
其中，当由检测单元检测到从光接收部输出的脉冲的宽度超过阈值时，通过淬灭单元不导通，将二极管维持为非盖格模式达预定时段。
14.一种成像系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的光电转换设备；以及
信号处理单元，处理从光电转换设备输出的信号。
15.一种可移动物体，其特征在于，包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的光电转换设备；
距离信息获取设备，从视差图像获取关于到物体的距离的距离信息，其中视差图像基于来自光电转换设备的信号；以及
控制设备，基于距离信息来控制可移动物体。
16.一种驱动光电转换设备的方法，其特征在于，该光电转换设备包括响应于光子的入射而输出脉冲的光接收部、基于来自光接收部的输出而输出信号的信号生成单元以及检测单元，该方法包括：
从光接收部并行地向信号生成单元和检测单元输出脉冲输出；
由信号生成单元通过对脉冲进行计数产生计数值；以及
由检测单元检测脉冲的宽度是否超过预定阈值。
17.根据权利要求16所述的驱动光电转换设备的方法，该方法还包括：
当脉冲的宽度小于或等于阈值时，输出指示计数值的信号；以及
当脉冲的宽度超过阈值时，输出指示预定值的信号。
18.根据权利要求16所述的驱动光电转换设备的方法，该驱动方法还包括：
当脉冲的宽度超过阈值时，停止对脉冲进行计数并输出指示在停止计数时的计数值的信号。
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