CN110365924B - 光电转换设备、光电转换系统和移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了光电转换设备、光电转换系统和移动体。光电转换设备包括：多个像素，其被按多个行和多个列布置；以及多个输出线，来自所述多个像素的信号输出给所述多个输出线，并且所述多个像素中的各个像素包括光接收单元和信号生成单元，光接收单元响应于光子的入射而输出脉冲，信号生成单元基于来自光接收单元的输出，生成输出给各个输出线的像素信号。信号生成单元包括计数单元和比较单元，计数单元生成指示从光接收单元输出的脉冲的计数值的计数信号，比较单元将由计数信号指示的计数值与预定的阈值进行比较，并且信号生成单元根据由比较单元进行的比较的结果，输出信号。

Description

光电转换设备、光电转换系统和移动体
技术领域
本发明涉及光电转换设备、光电转换系统和移动体。
背景技术
对到达光接收单元的光子数进行数字计数并从像素输出计数值作为数字信号的光电转换设备是已知的。日本特开2014-081253号公报公开了一种光检测器，其具有：光接收单元，其包括输出指示有无光子入射的二值脉冲的光子计数型光接收元件；和累积单元，计算通过对从光接收单元输出的脉冲的脉冲宽度的总值进行积分或累积而得到的输出值。日本特开2014-081253号公报还公开了一种校正单元，其对来自累积单元的输出值进行校正。
然而，日本特开2014-081253号中公开的校正单元是要进行校正处理，使得输出值变为与入射光量成比例的值，并且不是对多个像素中的各个像素均进行校正。特别地，在日本特开2014-081253号公报中，没有考虑缺陷像素的检测或缺陷像素的输出的校正。
发明内容
本发明旨在提供一种光子计数型光电转换设备，其能够检测缺陷像素或校正来自缺陷像素的输出值。
根据本发明的一方面，提供一种光电转换设备，其包括：多个像素，其按多个行和多个列布置；以及多个输出线，来自所述多个像素的信号输出给所述多个输出线，其中，所述多个像素中的各个像素包括光接收单元和信号生成单元，所述光接收单元响应于光子的入射而输出脉冲，所述信号生成单元基于来自所述光接收单元的输出，生成输出给对应输出线的像素信号，其中，所述信号生成单元包括计数单元和比较单元，所述计数单元生成指示从所述光接收单元输出的脉冲的计数值的计数信号，所述比较单元将由所述计数信号指示的计数值与预定的阈值进行比较，并且其中，所述信号生成单元根据由所述比较单元进行的比较的结果，输出信号。
通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示根据本发明的第一实施例的光电转换设备的总体构造的框图。
图2是例示根据本发明的第一实施例的光电转换设备的像素的总体构造的图。
图3是例示根据本发明的第一实施例的光电转换设备的像素的构造示例的电路图。
图4是例示根据本发明的第一实施例的驱动光电转换设备的方法的时序图。
图5是根据本发明的第一实施例的光电转换设备的示意性截面图。
图6是例示根据本发明的第二实施例的光电转换设备的像素的构造示例的电路图。
图7是例示根据本发明的第三实施例的光电转换设备的总体构造的框图。
图8是例示根据本发明的第三实施例的光电转换设备的像素的总体构造的图。
图9是例示根据本发明的第三实施例的光电转换设备的像素的构造示例的电路图。
图10是例示根据本发明的第四实施例的光电转换系统的总体构造的框图。
图11A是例示根据本发明的第五实施例的光电转换系统的构造示例的图。
图11B是例示根据本发明的第五实施例的移动体(movable body)的构造示例的图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
[第一实施例]
将参照图1至图5描述根据本发明的第一实施例的光电转换设备。图1是例示根据本实施例的光电转换设备的总体构造的框图。图2是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的总体构造的图。图3是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的构造示例的电路图。图4是例示根据本实施例的驱动光电转换设备的方法的时序图。图5是根据本发明的第一实施例的光电转换设备的示意性截面图。
如图1所示，根据本实施例的光电转换设备100包括像素区域10、竖直选择电路3、信号处理电路4、水平选择电路5、输出电路6和控制电路7。
在像素区域10中，配设有遍及多个行和多个列按矩阵布置的多个像素P。图1例示了布置在从第0行至第5行这6行和从第0列至第5列这6列上的36个像素P，连同指示行号和列号的符号。例如，用“P14”标记布置在第1行和第4列的像素P。注意，不特别限制形成像素区域10的像素阵列的行数和列数。
在像素区域10的像素阵列的各个行上，在第一方向(图1中的水平方向)上延伸地布置有控制线PVSEL。控制线PVSEL分别连接到在第一方向上对齐的像素P，并且形成供这些像素P共用的信号线。可以将控制线PVSEL延伸的第一方向表示为行方向或水平方向。注意，在图1中用指示列号的符号例示控制线PVSEL。例如，用符号“PVSEL[1]”标记第1行上的控制线。
各个行上的控制线PVSEL连接到竖直选择电路3。竖直选择电路3是经由控制线PVSEL将用于驱动像素P内的信号生成电路(未例示)的控制信号供给到像素P的电路单元。
在像素区域10的像素阵列的各个列上，在与第一方向交叉的第二方向(图1中的竖直方向)上延伸地布置有输出线POUT。输出线POUT分别连接到在第二方向上对齐的像素P，并且形成供这些像素P共用的输出线。可以将输出线POUT延伸的第二方向表示为列方向或竖直方向。注意，在图4中用指示列号的符号例示输出线POUT。例如，用符号“POUT4”标记第4列上的控制线。各个输出线POUT包括用于输出n位数字信号的n个信号线。
输出线POUT连接到信号处理电路4。为像素区域10的像素阵列的对应列配设各个信号处理电路4，并且信号处理电路4连接到对应列上的输出线POUT。信号处理电路4具有保持经由对应列上的输出线POUT从像素P输出的信号的功能。由于从像素P输出的信号与经由输出线POUT的n个信号线输入的n位信号对应，所以各个信号处理电路4包括至少n个用于保持各个位的信号的保持单元。
水平选择电路5是将用于从信号处理电路4读出信号的控制信号供给到信号处理电路4的电路单元。水平选择电路5经由控制线PHSEL将控制信号供给到各个列上的信号处理电路4。接收来自水平选择电路5的控制信号的信号处理电路4经由水平输出线HSIG将保持在保持单元中的信号输出给输出电路6。注意，图1例示了控制线PHSEL连同指示列号的符号。例如，用符号“PHSEL[4]”标记第4列上的控制线。水平输出线HSIG包括用于输出n位数字信号的n个信号线。
输出电路6是用于将经由水平输出线HSIG供给的信号作为输出信号SOUT输出给光电转换设备100外部的电路单元。控制电路7是用于供给控制竖直选择电路3、信号处理电路4、水平选择电路5和输出电路6的操作及上述电路的时序的控制信号的电路单元。注意，可以从光电转换设备100的外部供给控制竖直选择电路3、信号处理电路4、水平选择电路5和输出电路6的操作及上述电路的时序的控制信号。
如图2所示，各个像素P包括光接收单元20和信号生成单元30。信号生成单元30包括计数单元40和信号比较单元50。信号比较单元50包括信号替换单元52。光接收单元20响应于光子的入射输出脉冲。计数单元40生成指示从光接收单元20输出的脉冲的计数值的计数信号。信号比较单元50将由通过计数单元40输出的计数信号代表的计数值与预定的阈值进行比较。信号替换单元52根据由信号比较单元50进行的比较的结果，用指示预定的替代值的替代信号，替换由计数单元40输出的计数信号。例如，在由计数信号指示的计数值大于或等于阈值的情况下，信号替换单元52用替代信号替换计数信号。在这种情况下，在由计数信号指示的计数值小于阈值的情况下，信号生成单元30输出计数信号，而在由计数信号指示的计数值大于或等于阈值的情况下，信号生成单元30输出替代信号。像素P根据信号比较单元50的操作，输出计数信号和替代信号中的一者作为像素信号。
如图3所示，光接收单元20包括雪崩放大型二极管D、由p沟道MOS晶体管形成的猝灭元件Mq和反相器电路INV。信号生成单元30包括计数单元40、信号比较单元50以及由n沟道MOS晶体管形成的开关SW0和SW1。计数单元40包括形成三位计数器电路的三开关(toggle)T触发器电路FF0、FF1和FF2。信号比较单元50包括非(NOT)门G11、G12和G13以及或非(NOR)门G14、G15和G16。
二极管D的阳极连接到供给电压VSS的电源线。二极管D的阴极连接到形成猝灭元件Mq的p沟道MOS晶体管的漏极。形成猝灭元件Mq的p沟道MOS晶体管的源极连接到供给电压VDD的电源线。反相器电路INV的输入端子连接到二极管D与猝灭元件Mq之间的连接节点。
反相器电路INV的输出端子(也是光接收单元20的输出端子)连接到非门G13的输入端子(也是信号生成单元30的输入端子)。非门G13的输出端子连接到或非门G16的一个输入端子。或非门G16的输出端子连接到T触发器电路FF0的输入端子T。T触发器电路FF0的输出端子Q连接到T触发器电路FF1的输入端子T。T触发器电路FF0的输出端子Q与T触发器电路FF1的输入端子T之间的连接节点连接到非门G11的输入端子。非门G11的输出端子连接到或非门G14的一个输入端子。或非门G14的输出端子连接到形成开关SW0的n沟道MOS晶体管的源极。
T触发器电路FF1的输出端子Q连接到T触发器电路FF2的输入端子T。T触发器电路FF1的输出端子Q与T触发器电路FF2的输入端子T的连接节点连接到非门G12的输入端子。非门G12的输出端子连接到或非门G15的一个输入端子。或非门G15的输出端子连接到形成开关SW1的n沟道MOS晶体管的源极。T触发器电路FF2的输出端子Q分别连接到或非门G14、G15和G16的其他输入端子。
形成开关SW0和SW1的n沟道MOS晶体管的栅极连接到控制线PVSEL。形成开关SW0和SW1的n沟道MOS晶体管的漏极连接到输出线POUT。T触发器电路FF0、FF1和FF2的清零端子CLR连接到竖直选择电路3，并且能够被供给来自竖直选择电路3的控制信号PCLR。
从供给电压VDD和VSS的电源线经由猝灭元件Mq向二极管D施加大小在击穿电压以上的反向偏置电压。由此，将二极管D设置为以Geiger模式操作。一旦光子进入二极管D，由于被入射光子激发的电子作为种子的雪崩现象而发生大量的电子(和空穴)，并且电流在二极管D和猝灭元件Mq中流动。由雪崩现象生成的电流在猝灭元件Mq中的流动通过猝灭元件Mq使电压下降，并且二极管D的操作区域退出Geiger模式。当二极管D的雪崩现象停止时，通过猝灭元件Mq的电压下降返回到初始状态，二极管D的操作区域再次进入Geiger模式。反相器电路INV反转并放大二极管D的阴极的电位变化。利用该构造，光接收单元20能够输出有无光子入射，作为电压脉冲信号(信号PIXOUT)。
计数单元40由T触发器电路FF0、FF1和FF2串联连接的三位计数器电路形成。由此，计数单元40对叠加在经由非门G13和或非门G16从光接收单元20供给的信号PIXOUT上的脉冲进行计数。当T触发器电路FF2的输出Q处于低电平时，或非门G16将从光接收单元20供给的脉冲输出给T触发器电路FF0。
当T触发器电路FF2的输出Q处于低电平时，或非门G14直接输出T触发器电路FF0的输出Q作为由计数单元40计数的计数值的第0位值。此外，当T触发器电路FF2的输出Q处于高电平时，或非门G14输出0作为由计数单元40计数的计数值的第0位值。
类似地，当T触发器电路FF2的输出Q处于低电平时，或非门G15直接输出T触发器电路FF1的输出Q作为由计数单元40计数的计数值的第1位值。此外，当T触发器电路FF2的输出Q处于高电平时，或非门G15输出0作为由计数单元40计数的计数值的第1位值。
也就是，信号比较单元50以如下方式操作：将作为计数单元40的输出的计数值与预定的阈值进行比较，并且在计数值大于或等于阈值的情况下，用小于阈值的预定的替代值替换计数值。更具体地，在由T触发器电路FF0、FF1和FF2形成的三位计数器电路的计数值是4或更大的情况下，信号比较单元50用指示替代值0的替代信号替换从计数单元40输出的计数信号并输出替代值0。
注意，虽然在图3的构造示例中，信号比较单元50被构造为使得针对信号比较单元50所预定的阈值是4，替代值是0，并且在进入光接收单元20的光子数大于或等于4的情况下输出值是0，但是阈值和替代值不限于此。阈值可以是除了4以外的值，并且替代值可以是除了0以外的值。
开关SW0和SW1响应于从控制线PVSEL供给的控制信号而导通，由此将计数单元40的计数值或其替代值输出给输出线POUT。由T触发器电路FF0至FF2形成的计数器电路被构造为响应于从竖直选择电路3供给的控制信号PCLR重置计数器输出信号。
接下来，将通过使用图4来描述根据本实施例的驱动光电转换设备的方法。图4是例示根据本实施例的驱动光电转换设备的方法的时序图。图4例示了从竖直选择电路3供给的控制信号PCLR、PVSEL[0]、PVSEL[1]和PVSEL[5]，从水平选择电路5供给的控制信号PHSEL[0]、PHSEL[1]和PHSEL[5]，以及输出信号SOUT。
在时刻t1，竖直选择电路3将控制信号PCLR从高电平控制为低电平。由此，重置了所有像素P的计数单元40的T触发器电路FF0、FF1和FF2。也就是，由计数单元40指示的计数值的值是0。
接下来，在从控制信号PCLR变为高电平时的时刻至时刻t2的时段中，各个像素P的光接收单元20输出包括脉冲数与入射光子数对应的脉冲的信号PIXOUT。然后，各个像素P的信号生成单元30的计数单元40对叠加在从光接收单元20输出的信号PIXOUT上的脉冲数进行计数。
接下来，在时刻t2，竖直选择电路3将控制信号PVSEL[0]从低电平控制为高电平，并且导通属于第0行的像素P的开关SW0和SW1。由此，经由对应列上的输出线POUT将指示从属于第0行的像素P的计数单元40输出的计数值的信号或从信号比较单元50输出的替代值输出给对应列上的信号处理电路4。各个列上的信号处理电路4保持从对应列上的像素P输出的信号。
接下来，在从将控制信号PVSEL[0]控制为低电平之后的时刻t3至时刻t4的时段中，水平选择电路5将与各个列上的信号处理电路4对应的控制信号PHSEL[0]、PHSEL[1]、.....、PHSEL[5]依次控制为高电平。由此，经由水平输出线HSIG和输出电路6将保持在各个列上的信号处理电路4中的信号(数据D00至D05)作为输出信号SOUT依次输出给光电转换设备100的外部。注意，输出信号SOUT的数据D00至D05与图1中的像素P00至P05的输出对应。
随后，以与从时刻t2至时刻t4的时段中的操作类似的方式，以行为基础依次读出来自属于第1行至第5行的像素P的信号。例如，在从时刻t4至时刻t6的时段中，依次输出从第1行上的各个列上的像素P读出的信号(数据D10至D15)作为输出信号SOUT。此外，在从时刻t6至时刻t8的时段中，依次输出从第5行上的各个列上的像素P读出的信号(数据D50至D55)作为输出信号SOUT。
以这种方式，根据本实施例的光电转换设备100包括如下信号比较单元50：信号比较单元50将由计数单元40输出的计数信号指示的计数值与预定的阈值进行比较。因此，当发生因布置在像素区域10中的像素P的像素缺陷等而导致的输出值的异常，并且计数单元40的输出值超过期望值时，能够以像素P为基础检测到该异常。此外，根据本实施例的光电转换设备100包括如下信号替换单元52：在由从计数单元40输出的计数信号指示的计数值大于或等于预定的阈值的情况下，信号替换单元52用指示预定的替代值的替代信号替换由计数单元40输出的计数信号。因此，当因像素缺陷等而导致像素P的输出值存在异常时，能够校正输出值。
接下来，将通过使用图5来描述根据本实施例的光电转换设备100的具体构造示例。图5是例示根据本实施例的光电转换设备的结构的示意性截面图。图5例示了相邻布置的两个像素P的截面结构。
光电转换设备100包括第一芯片101和第二芯片102。第一芯片101和第二芯片102在结合界面103处接合。像素P的组件当中的二极管D布置在第一芯片101中。像素P的组件当中的除了像素P的二极管D以外的其余组件，即猝灭元件Mq、反相器电路INV和信号生成单元30布置在第二芯片102中。图5仅例示了像素P的上述组件中的二极管D和猝灭元件Mq。
第一芯片101包括第一基板104。第一基板104具有：主面105，其是位于结合界面103侧的面；和背面106，其是与主面105相反的面。在第一基板104内，配设有阱113和使阱113隔离的元件隔离区域117。在阱113内的主面105侧，配设有由与主面105接触的n型区域114和与n型区域114的底部接触的p型区域115的pn结形成的二极管D。在第一基板104的主面105上，配设有包括互连层122和互连层123的多层互连结构107。在二极管D与互连层122之间以及在互连层122与互连层123之间，配设有通过由例如钨制成的接触插头(contactplug)112的电连接。在第一基板104的背面106上，配设有包括平坦化层等的彩色滤光层(color filter)120和微透镜121。
第二芯片102包括第二基板108。第二基板108具有：主面109，其是位于结合界面103侧的面；和背面110，其是与主面109相反的面。在第二基板108内的主面109侧，配设有阱124和使阱124隔离的元件隔离区域127。在阱124中，配设有形成包括源/漏区域125和栅电极126的猝灭元件Mq的p沟道MOS晶体管。在第二基板108的主面108上，配设有包括互连层128和互连层129的多层互连结构111。在猝灭元件Mq的各个端子与互连层128之间以及在互连层128与互连层129之间，配设有通过由例如钨制成的接触插头112的电连接。
第一芯片101和第二芯片102彼此附接，使得第一芯片101的最上层中的互连层123和第二芯片102的最上层中的互连层129在结合界面103处彼此电连接。
以这种方式，根据本实施例的光电转换设备100可以被构造为将从第一基板104的背面106侧接收的光经由微透镜121和彩色滤光层120引导到二极管D的背面照射型光电转换设备。然而，本实施例的光电转换设备100并非必须是背面照射型光电转换设备，并且可以是正面照射型光电转换设备。
如上所述，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，能够进行缺陷像素的检测或来自缺陷像素的输出值的校正。
[第二实施例]
将参照图6描述根据本发明的第二实施例的光电转换设备。用相同的符号标记与根据第一实施例的光电转换设备中的组件类似的组件，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第二像素的构造示例的电路图。
在本实施例中，将描述像素P的另一构造示例。其他元件与根据第一实施例的光电转换设备中的其他元件相同。
如图6所示，根据本实施例的光电转换设备的像素P以与第一实施例相同的方式包括光接收单元20和信号生成单元30。光接收单元20与根据第一实施例的图3所示的光电转换设备的光接收单元相同。如图9所示，信号生成单元30包括计数单元40、信号比较单元50以及由n沟道MOS晶体管形成的开关SW0和SW1。计数单元40包括形成三位计数器电路的三T触发器电路FF0、FF1和FF2。信号比较单元50包括非门G21和G22以及或非门G23和G24。
反相器电路INV的输出端子(也是光接收单元20的输出端子)连接到T触发器电路FF0的输入端子T(也是信号生成单元30的输入端子)。T触发器电路FF0的输出端子Q连接到T触发器电路FF1的输入端子T。T触发器电路FF0的输出端子Q与T触发器电路FF1的输入端子T之间的连接节点连接到形成开关SW0的n沟道MOS晶体管的源极。T触发器电路FF1的输出端子Q连接到T触发器电路FF2的输入端子T。T触发器电路FF1的输出端子Q与T触发器电路FF2的输入端子T之间的连接节点连接到形成开关SW1的n沟道MOS晶体管的源极。T触发器电路FF2的输出端子Q分别连接到或非门G23和G24的一个输入端子。
形成开关SW0和SW1的n沟道MOS晶体管的栅极连接到控制线PVSEL。形成开关SW0和SW1的n沟道MOS晶体管的漏极连接到输出线POUT。
非门G21的输出端子连接到或非门G23的另一输入端子。或非门G23的输出端子连接到T触发器电路FF0的清零端子CLR。此外，非门G22的输出端子连接到或非门G24的另一输入端子。或非门G24的输出端子连接到T触发器电路FF1的清零端子CLR。非门G21和G22的输入端子以及T触发器电路FF2的清零端子CLR连接到竖直选择电路3，以能够被供给来自竖直选择电路3的控制信号PCLR。
计数单元40由T触发器电路FF0、FF1和FF2串联连接的三位计数器电路形成。由此，计数单元40对叠加在从光接收单元20供给的信号PIXOUT上的脉冲进行计数。开关SW0和SW1响应于从控制线PVSEL供给的控制信号而导通，由此将由T触发器电路FF0至FF2形成的计数器电路的最低两位的值作为输出信号输出给输出线POUT。
信号比较单元50被构造为根据控制信号PCLR和T触发器电路FF2的输出，重置T触发器电路FF0和FF1。具体地，当控制信号PCLR处于低电平或控制信号PCLR和T触发器电路FF2的输出处于高电平时，信号比较单元50重置T触发器电路FF0和FF1。也就是，如第一实施例那样，在由T触发器电路FF0、FF1和FF2形成的计数器电路的计数值是4或更大的情况下，信号比较单元50用指示替代值0的替代信号替换从计数单元40输出的计数信号并输出替代值0。
注意，虽然在图6的构造示例中，信号比较单元50被构造为使得针对信号比较单元50所预定的阈值是4，替代值是0，并且在进入光接收单元20的光子数大于或等于4的情况下输出值是0，但是阈值和替代值不限于此。阈值可以是除了4以外的值，并且替代值可以是除了0以外的值。
以这种方式，根据本实施例的光电转换设备100包括如下信号比较单元50：信号比较单元50将由计数单元40输出的计数信号指示的计数值与预定的阈值进行比较。因此，当发生因布置在像素区域10中的像素P的像素缺陷等而导致的输出值的异常，并且计数单元40的输出值超过预期值时，能够以像素P为基础检测到该异常。此外，根据本实施例的光电转换设备100包括如下信号替换单元52：在由从计数单元40输出的计数信号指示的计数值大于或等于预定的阈值的情况下，信号替换单元52用指示预定的替代值的替代信号替换由计数单元40输出的计数信号。因此，当因像素缺陷等而导致像素P的输出值存在异常时，能够校正输出值。
如上所述，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，能够进行缺陷像素的检测或来自缺陷像素的输出值的校正。
[第三实施例]
将参照图7至图9描述根据本发明的第三实施例的光电转换设备。用相同的符号标记与根据第一实施例和第二实施例的光电转换设备中的组件类似的组件，并且将省略或简化其描述。
图7是例示根据本实施例的光电转换设备的总体构造的框图。图8是例示根据本实施例的光电转换设备100中的像素P的构造的概念图。图9是例示根据本实施例的光电转换设备的像素的构造示例的电路图。
如图7所示，除了在像素区域10的像素阵列的各列上进一步配设有在第二方向上延伸地布置的多个信号线PCOM以外，根据本实施例的光电转换设备100与根据图1所示的第一实施例的光电转换设备相同。各个列上的信号线PCOM分别连接到在第二方向上对齐的像素P，并且形成供这些像素P共用的信号线。注意，在图7中用指示列号的符号例示信号线PCOM。例如，用符号“PCOM4”标记第4列上的信号线。
各个列上的输出线POUT和信号线PCOM连接到对应列上的信号处理电路4。信号处理电路4具有保持经由输出线POUT从像素P输出的信号的功能。此外，信号处理电路4具有根据从信号线PCOM输出的信号的电平，将预定的值写入保持单元或将值改写为保持单元中的预定的值的功能。注意，换言之，信号线PCOM可以与形成输出线POUT的多个信号线中的某些信号线对应。
如图8所示，各个像素P包括光接收单元20和信号生成单元30。信号生成单元30包括计数单元40和信号比较单元50。光接收单元20响应于光的入射，输出指示有无光子入射的脉冲。计数单元40生成指示从光接收单元20输出的脉冲的计数值的计数信号。信号比较单元50将由通过计数单元40输出的计数信号代表的计数值与预定的阈值进行比较，并且输出指示与信号线PCOM的比较的结果的确定信号。此外，信号比较单元50将由计数单元40输出的计数信号输出给输出线POUT。
如图9所示，根据本实施例的光电转换设备的像素P包括光接收单元20和信号生成单元30。光接收单元20与根据第一实施例的图3所示的光电转换设备的光接收单元相同。信号生成单元30包括计数单元40、信号比较单元50以及由n沟道MOS晶体管形成的开关SW0、SW1和SW2。计数单元40包括形成三位计数器电路的三T触发器电路FF0、FF1和FF2。信号比较单元50包括与(AND)门G31、设置-重置(set-reset，SR)触发器电路FF3和由n沟道MOS晶体管形成的开关SW3。
反相器电路INV的输出端子(也是光接收单元20的输出端子)连接到T触发器电路FF0的输入端子T(也是信号生成单元30的输入端子)。T触发器电路FF0的输出端子Q连接到T触发器电路FF1的输入端子T。T触发器电路FF0的输出端子Q与T触发器电路FF1的输入端子T之间的连接节点连接到形成开关SW0的n沟道MOS晶体管的源极和与门G31的一个输入端子。T触发器电路FF1的输出端子Q连接到T触发器电路FF2的输入端子T。T触发器电路FF1的输出端子Q与T触发器电路FF2的输入端子T之间的连接节点连接到形成开关SW1的n沟道MOS晶体管的源极。T触发器电路FF2的输出端子Q连接到形成开关SW2的n沟道MOS晶体管的源极和与门G31的另一输入端子。
与门G31的输出端子连接到SR触发器电路FF3的输入端子S。SR触发器电路FF3的输出端子Q连接到形成开关SW3的n沟道MOS晶体管的源极。
形成开关SW0、SW1、SW2和SW3的n沟道MOS晶体管的栅极连接到控制线PVSEL。形成开关SW0、SW1和SW2的n沟道MOS晶体管的漏极连接到输出线POUT。形成开关SW3的n沟道MOS晶体管的漏极连接到信号线PCOM。T触发器电路FF0、FF1和FF2的清零端子CLR和SR触发器电路FF3的输入端子R连接到竖直选择电路3，以能够被供给来自竖直选择电路3的控制信号PCLR。
当指示第0位(LSB)的T触发器电路FF0的值的输出和指示第2位(MSB)的T触发器电路FF2的值的输出二者都处于高电平时，与门G31输出高电平信号。由此，SR触发器电路FF3转变为设置状态，其输出变为高电平，并且当开关SW3处于导通状态时，将高电平信号输出给信号线PCOM。也就是，信号比较单元50被构造为在计数单元40的输出值变为5或更大的情况下，将高电平确定信号输出给信号线PCOM。
利用像素P的该构造，当信号处理电路4经由信号线PCOM接收到高电平确定信号时，能够确定出在从输出线POUT输出的像素信号中，发生了因像素缺陷等而导致的异常。在确定出在从输出线POUT输出的像素信号中发生了异常的情况下，能够对像素信号的输出值进行校正，以将其替换为信号处理电路4中的预定的替代值。
注意，虽然在图9的构造示例中，针对信号比较单元50所预定的阈值是5，但是阈值不限于此。阈值可以是除了5以外的值，并且可以适当地改变。
如上所述，根据本实施例，在光子计数型光电转换设备中，能够进行缺陷像素的检测或来自缺陷像素的输出值的校正。
[第四实施例]
将参照图10描述根据本发明的第四实施例的光电转换系统。图10是例示根据本实施例的光电转换系统的构造示例的框图。
如图10所示，根据本实施例的光电转换系统200包括防护件(barrel)201、透镜202、光圈203、光电转换设备204和AF传感器205。透镜202是用于拍摄被摄体的光学图像的光学系统。防护件201保护透镜202。光圈203用于调节穿过透镜202的光的光量。光电转换设备204通过使用第一实施例至第三实施例所述的光电转换设备100而形成，光电转换设备204用于获取由透镜202拍摄的被摄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。
此外，光电转换系统200还包括信号处理单元208。信号处理单元208用于进行从光电转换设备204或AF传感器205输出的信号的处理，或者用于进行对所获取的图像数据进行各种校正的处理或压缩数据的处理。
此外，光电转换系统200还包括存储器单元209、外部I/F电路210、时序生成单元211、总体控制/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等的外部设备通信。时序生成单元211用于将各种时序信号输出给信号处理单元208等。总体控制/操作单元212用于控制各种计算和整个照相机。存储介质控制I/F单元213用于与诸如存储所获取的图像数据或读出图像数据的半导体存储器等的可移动存储介质214进行数据通信。
当防护件201打开时，来自被摄体的光学图像经由透镜202和光圈203进入AF传感器205。总体控制/操作单元212基于来自AF传感器205的输出信号，通过使用上述相位差检测方案计算距被摄体的距离。然后，总体控制/操作单元212基于计算结果驱动透镜202，再次确定在拍摄面上是否获得聚焦，并且当确定出未获得聚焦时，进行自动对焦控制以再次驱动透镜202。
接下来，在确认聚焦之后，开始通过光电转换设备204的电荷累积操作。在完成了光电转换设备204的电荷累积操作时，经由信号处理单元208通过总体控制/操作单元212将从光电转换设备204输出的图像信号写入存储器单元209。
然后，通过总体控制/操作单元212的控制，经由存储介质控制I/F单元213将累积在存储器单元209中的数据存储在存储介质214中。可选地，可以经由外部I/F电路210将累积在存储器单元209中的数据直接输入到外部计算机215等。
如第一实施例至第三实施例所述，使用上述实施例所示的光电转换设备100能够对各个像素P进行缺陷等的检测和输出值的校正。因此，根据使用光电转换设备204的本实施例的光电转换系统，能够获取较高质量的图像。
[第五实施例]
将参照图11A和图11B描述根据本发明的第五实施例的光电转换系统和移动体。图11A是例示根据本实施例的光电转换系统的构造的图。图11B是例示根据本实施例的移动体的构造的图。
图11A例示了与车载照相机相关的光电转换系统的示例。光电转换系统300包括摄像设备310。摄像设备310是在以上第一实施例至第三实施例中的任意实施例所述的任意光电转换设备100。光电转换系统300包括：图像处理单元312，其对由摄像设备310获取的多个图像数据进行图像处理；以及视差获取单元314，其根据由光电转换系统300获取的多个图像数据计算视差(视差图像之间的相位差)。此外，光电转换系统300包括：距离获取单元316，其基于所计算的视差计算距被摄体的距离；以及碰撞确定单元318，其基于所计算的距离确定是否存在碰撞可能性。这里，视差获取单元314或距离获取单元316是获取与距被摄体的距离有关的距离信息的距离信息获取单元的示例。也就是，距离信息是与视差、散焦量、距被摄体的距离等有关的信息。碰撞确定单元318可以使用任意距离信息来确定碰撞可能性。距离信息获取单元可以通过专用设计的硬件实现，或者可以通过软件模块实现。此外，距离信息获取单元可以通过现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等实现，或者可以通过其组合实现。
光电转换系统300连接到车辆信息获取设备320，并且能够获取诸如车速、偏航率、转向角等的车辆信息。此外，光电转换系统300连接到控制ECU330，控制ECU330是基于通过碰撞确定单元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。此外，光电转换系统300还连接到警报设备340，警报设备340基于通过碰撞确定单元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，碰撞概率高时，控制ECU330通过施加制动、推回加速器、抑制发动机动力等，进行车辆控制以避免碰撞或减轻损坏。警报设备340通过发出诸如声音等的警报、在汽车导航系统的显示器上显示警报信息等、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，通过使用光电转换系统300拍摄车辆周围的区域，例如前方区域或后方区域。图11B例示了在拍摄车辆的前方区域(拍摄区域350)的情况下的光电转换系统。车辆信息获取设备320将指令发送到光电转换系统300或摄像设备310。利用该构造，能改善测距精度。
尽管在以上描述中已经描述了用于避免与其他车辆碰撞的控制的示例，但是用于跟随其他车辆的自动驾驶控制、不脱离行车道的自动驾驶控制等是可适用的。此外，光电转换系统不限于诸如主车辆(subject vehicle)等的车辆，并且能够适用于诸如船舶、飞机或工业机器人等的移动体(运输装置)。另外，光电转换系统能够广泛适用于利用物体识别的诸如智能交通系统(ITS)等的设备，而不限于移动体。
[变型例]
本发明不限于上述实施例，并且各种变型是可能的。
例如，将任意实施例的构造的一部分添加到另一实施例的示例，或者将任意实施例的构造的一部分用另一实施例的构造的一部分替换的示例是本发明的实施例中的一个实施例。
此外，在第一实施例至第三实施例的光电转换设备100中，形成像素P的像素电路不限于所示的那些。例如，形成计数单元40的计数器电路不限于与计数器的位数对应的所示构造。
此外，虽然在第一实施例和第二实施例中已经描述了信号替换单元52根据针对信号比较单元50所设置的阈值将像素的输出值替换为0的示例，但是不特别限制针对信号比较单元50所设置的阈值或替代值、信号比较单元50的电路构造等。此外，在第三实施例中已经描述了将根据针对信号比较单元50所设置的阈值的确定信号输出给信号处理电路4的示例，但是不特别限制针对信号比较单元50所设置的阈值、确定信号的信号电平、信号比较单元50的电路构造等。可以基于缺陷像素的确定标准，确定阈值的值。
此外，以上第四实施例和第五实施例所示的光电转换系统是本发明的光电转换设备可以适用的光电转换系统的示例，并且本发明的光电转换设备可以适用的光电转换系统不限于图10和图11A所示的构造。
虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims (7)

1.一种光电转换设备，所述光电转换设备包括：
多个像素，其按多个行和多个列布置；以及
多个输出线，来自所述多个像素的信号输出给所述多个输出线，
其中，所述多个像素中的各个像素包括光接收单元和信号生成单元，所述光接收单元响应于光子的入射而输出脉冲，所述信号生成单元基于来自所述光接收单元的输出，生成输出给对应输出线的像素信号，
其中，所述信号生成单元包括计数单元和比较单元，所述计数单元生成指示从所述光接收单元输出的脉冲的计数值的计数信号，所述比较单元将由所述计数信号指示的计数值与预定的阈值进行比较，
其中，所述信号生成单元根据由所述比较单元进行的比较的结果，输出信号，并且
其中，在所述计数值小于所述阈值的情况下，所述信号生成单元输出指示所述计数值的像素信号，在所述计数值不小于所述阈值的情况下，所述信号生成单元输出指示预定的替代值的像素信号。
2.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，在所述计数值不小于所述阈值的情况下，所述信号生成单元将由被重置的所述计数单元输出的计数信号所指示的计数值，设置为所述替代值。
3.根据权利要求1所述的光电转换设备，所述光电转换设备还包括连接到所述输出线的信号处理电路，
其中，所述信号生成单元将指示所述计数值的像素信号和指示由所述比较单元进行的比较的结果的确定信号输出给所述信号处理电路，并且
其中，所述信号处理电路根据所述确定信号，用预定的替代值替换所述计数值。
4.根据权利要求3所述的光电转换设备，其中，当所述确定信号指示所述计数值不小于所述阈值时，所述信号处理电路用所述替代值替换所述计数值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电转换设备，其中，基于缺陷像素的确定标准来定义所述阈值。
6.一种光电转换系统，其包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换设备；以及
信号处理单元，其处理从所述光电转换设备输出的信号。
7.一种移动体，其包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的光电转换设备；
距离信息获取单元，其基于来自所述光电转换设备的信号，从视差图像获取与距被摄体的距离有关的距离信息；以及
控制单元，其基于所述距离信息控制移动体。
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