CN114725141A - 光电转换装置和光检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光电转换装置和光检测系统。装置包括：光电二极管，所述光电二极管包括阳极和阴极；开关，所述开关连接到所述阳极和阴极中的一个的节点而且连接到电源线，并且用于切换所述节点与所述电源线之间的电阻值，驱动电压经由所述电源线供给；以及产生单元，所述产生单元被配置为产生用于控制所述开关的切换的脉冲信号。所述装置能够在包括第一模式和第二模式的两个模式中的一个下操作，所述第二模式能够在比所述第一模式下的照度条件低的照度条件下使用。在用于获取一帧信号的曝光时段中，所述第二模式下的脉冲信号的数量比所述第一模式下小。

Description

光电转换装置和光检测系统
技术领域
本公开涉及被配置为执行光电转换的光电转换装置、以及光检测(photodetection)系统。
背景技术
包括被形成为使得各自包括雪崩光电二极管(APD)的像素以二维阵列的形式布置在平面中的像素阵列的光电转换装置是已知的。在每个像素中，在半导体区域中的PN结区域中，源自单个光子的光电荷通过雪崩倍增(avalanche multiplication)过程倍增。
日本专利特开No.2020-123847公开了与包括APD的像素、APD、连接到APD的淬熄(quench)电路、从APD输出的信号被输入到的信号控制电路、以及连接到淬熄电路和信号控制电路的脉冲产生电路相关的技术。脉冲产生电路控制淬熄电路的接通/关断操作。还公开了APD的输出节点的电位被重置，并且即使在高照度(luminance)条件下也输出与输入的光子对应的脉冲信号。
发明内容
在一方面，本公开提供了一种装置，所述装置包括：光电二极管，所述光电二极管包括阳极和阴极；开关，所述开关连接到所述阳极和阴极中的一个的节点而且连接到电源线，并且用于切换所述节点与所述电源线之间的电阻值，驱动电压经由所述电源线供给；以及产生单元，所述产生单元被配置为产生用于控制所述开关的切换的脉冲信号，所述装置能够在包括第一模式和第二模式的两个模式中的一个下操作，所述第二模式能够在比所述第一模式下的照度条件低的照度条件下使用，在用于获取一帧信号的曝光时段中，所述第二模式下的脉冲信号的数量比所述第一模式下小。
从以下参考附图对示例性实施例的描述，本公开的进一步的特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示说明光电转换装置的配置的示图。
图2是例示说明传感器基板的布局的示例的示图。
图3是例示说明电路基板的布局的示例的示图。
图4是包括光电转换元件的等效电路图的框图。
图5是与驱动光电转换元件的操作相关的定时(timing)图。
图6A和6B各自是示出受像素之间的串扰影响的输出分布的示图。
图7A和7B是根据比较实施例的分别与第一模式和第二模式下的光电转换装置中的控制脉冲相关的定时图。
图8A和8B是表示根据比较实施例的分别在第一模式和第二模式下的光电转换装置的输出计数值的示图。
图9A至9D是各自示出根据比较实施例的受像素之间的串扰影响的输出分布的示图。
图10A和10B是根据第一实施例的分别与第一模式和第二模式下的光电转换装置中的控制脉冲相关的定时图。
图11A和11B是表示根据第一实施例的分别在第一模式和第二模式下的光电转换装置的输出计数值的示图。
图12A至12D是各自示出根据第一实施例的受像素之间的串扰影响的输出分布的示图。
图13是根据第二实施例的光电转换装置的框图。
图14是根据第三实施例的光检测系统的框图。
图15是根据第四实施例的自动曝光控制操作的流程图。
图16A是示出根据第四实施例的自动曝光控制中的被摄体照度值的示图，并且图16B是示出根据第四实施例的自动曝光控制中的控制信号的数量和被摄体照度值的示图。
图17是根据第五实施例的光检测系统的框图。
图18是根据第六实施例的光检测系统的框图。
图19A是根据第七实施例的光电转换系统的框图，并且图19B是例示说明根据第八实施例的移动体的示图。
图20是与根据第七实施例的光检测系统相关的流程图。
图21A和21B各自是示出根据第八实施例的电子设备的特定示例的示图。
具体实施方式
下面描述实施例，以用于例示说明本公开的技术构思而不用于将本公开限制到这些实施例。在一些示图中，为了清楚起见，元素的大小和位置关系可能被扩大。在以下描述中，类似的元素/配置将由类似的参考数字表示，并且其重复描述可能被省略。
下面参考图1至图4描述根据实施例的光电转换装置的共同配置。
光电转换装置包括SPAD像素，该SPAD像素包括雪崩二极管。在雪崩二极管中产生的电荷对之中，用作信号电荷的电荷的导电类型被称为第一导电类型。即，第一导电类型是指具有与信号电荷的极性相同的极性的多数载流子的电荷的导电类型。与第一导电类型相反的导电类型被称为第二导电类型。在以下描述中，举例来说，信号电荷由电子给出，第一导电类型是N型，并且第二导电类型是P型。然而，信号电荷可以由空穴给出，第一导电类型可以是P型，并且第二导电类型可以是N型。
在信号电荷由电子给出的情况下，从APD的阴极读取信号。然而，在信号电荷由空穴给出的情况下，从APD的阳极读取信号。因此，APD的阴极和阳极的功能变得相反。
在本说明书中，“当在平面图中看时”的表达用于描述感兴趣的结构在与部署有稍后描述的光电转换元件的半导体层的光入射平面垂直的方向上被观看的方式。此外，“截面”是指与部署有光电转换元件的半导体层的光入射平面垂直的平面。当用显微镜查看时半导体层的光入射表面是粗糙表面时，平面图是参考半导体层的宏观光入射表面定义的。
首先，描述实施例共同的配置。
图1是例示说明根据本公开的实施例的光电转换装置100的配置的示图。在以下描述中，举例来说，假定光电转换装置100是多层类型。即，在以下描述中被当作示例的光电转换装置100中，两个基板(即，传感器基板11和电路基板21)以多层结构放置在一起，并且在它们之间进行电连接。然而，光电转换装置不限于这个示例。例如，如稍后将描述的，光电转换装置可以是被配置为使得传感器基板11的元件和电路基板的元件部署在共同的半导体层中的光电转换装置。在下文中，当光电转换装置被配置为使得传感器基板11的元件和电路基板的元件部署在共同的半导体层中时，这种类型的光电转换装置被称为非多层光电转换装置。
传感器基板11包括第一半导体层和第一配线结构，该第一半导体层包括稍后描述的光电转换元件102。电路基板21包括第二半导体层和第二配线结构，该第二半导体层包括诸如稍后描述的信号处理电路103的电路。在光电转换装置100中，第二半导体层、第二配线结构、第一配线结构、以及第一半导体层以这个次序彼此放置以形成多层结构。
在图1中所示的光电转换装置中，光入射在第一表面上，并且电路基板被部署在与第一表面相对的第二表面上。这个配置被称为背面照明类型。在非多层光电转换装置中，部署有信号处理电路的晶体管的一侧的表面被称为第二表面。在背面照明光电转换装置的情况下，半导体层的与第二表面相对的第一表面是光入射表面。在背面照明光电转换装置的情况下，光入射表面由半导体层的第二表面给出。
在以下中，举例来说而非限制，假定传感器基板11和电路基板21各自是切割的芯片。替代地，例如，每个基板可以是晶片。此外，基板可以彼此放置成多层结构，并且所得的多层结构可以被切割成芯片，或者首先可以构造芯片，然后芯片可以彼此放置成多层结构。
像素区域12形成在传感器基板11上，而用于处理在像素区域12中检测到的信号的电路区域22形成在电路基板21上。
图2是示出传感器基板11的布局的示例的示图。在像素区域12中，像素101以在平面图中所看到的二维阵列布置，其中，每个像素101包括光电转换元件102，该光电转换元件102包括雪崩光电二极管(以下被称为APD)。
像素101通常是用于形成图像的像素，但是在用于TOF(飞行时间)的情况下，像素101可以不形成图像。即，像素101可以是用于测量光到达的时间和用于测量光量的像素。
图3是示出电路基板21的配置的示图。电路基板21包括信号处理电路103、读出电路112、控制脉冲产生单元115、水平扫描电路单元111、信号线113和垂直扫描电路单元110，该信号处理电路103被配置为处理经由图2中所示的光电转换元件102执行的光电转换而产生的电荷。
图2中所示的每个光电转换元件102经由对每个像素提供的连接配线电连接到图3中所示的信号处理电路103中的对应的一个。
垂直扫描电路单元110接收从控制脉冲产生单元115供给的控制脉冲，并且将控制脉冲供给到每个像素。垂直扫描电路单元110使用诸如移位寄存器、地址解码器等的逻辑电路来实现。
如稍后将描述的，控制脉冲产生单元115包括信号产生单元215，该信号产生单元215产生用于控制开关的控制信号CLK。如稍后描述的，信号产生单元215产生用于控制开关的控制信号的脉冲信号，使得脉冲信号的周期、脉冲的数量和脉冲宽度中的至少一个与曝光时段对应。控制脉冲产生单元115可以包括分频电路。这使得可以简化控制，这允许元件的数量的减少。
从每个像素的光电转换元件102输出的信号被信号处理电路103中的对应的一个处理。
每个信号处理电路103包括计数器、存储器等，并且在存储器中保持数字值。
水平扫描电路单元111将控制脉冲供给到信号处理电路103，以便顺次地选择列并且从像素的存储器读取数字像素信号。
当特定的列被选择时，信号从垂直扫描电路单元110选择的像素的信号处理电路103输出到信号线113。
输出到信号线113的信号经由输出电路114输出到光电转换装置100外部的外部存储单元或信号处理单元。
在图2中，像素区域中的光电转换元件的布置可以是一维的。信号处理单元的功能不一定必须对所有的光电转换元件中的每一个单独地提供。例如，一个信号处理单元可以被多个光电转换元件共享，并且可以对这些光电转换元件顺次地执行信号处理。
如图2和图3中所示，多个信号处理电路103布置在在平面图中与像素区域12重叠的区域中。此外，在平面图中，在传感器基板11的边缘与像素区域12的边缘之间，部署扫描电路单元110、水平扫描电路单元111、读出电路112、输出电路114和控制脉冲产生单元115。换句话说，传感器基板11具有像素区域12和像素区域12周围的非像素区域，并且在在平面图中与非像素区域重叠的区域中，部署垂直扫电路单元110、水平扫描电路单元111、读出电路112、输出电路114和控制脉冲产生单元115。
部署信号线113、读出电路112和输出电路114的方式不限于图3中所示的方式。例如，信号线113可以被部署为在行方向上延伸，并且读出电路112可以被部署在信号线113朝其延伸的位置处。
图4是包括例示说明图2或图3中所示的像素中的一个的详细配置的示例的等效电路图的框图。
在图4中，包括APD 201的每个光电转换元件102部署在传感器基板11上，而其它元件部署在电路基板21上。
APD 201经由光电转换过程响应于入射光而产生电荷对。APD 201的两个节点中的一个连接到电源线，驱动电压VL(第一电压)经由该电源线供给。APD 201的两个节点中的另一个连接到电源线，高于供给到阳极的电压VL的驱动电压VH(第二电压)经由该电源线供给。在图4中，APD 201的一个节点用作阳极，并且另一个节点用作阴极。反向偏置电压被施加在APD 201的阳极和阴极之间，使得雪崩倍增可以在APD 201中发生。在APD 201被供给这样的反向偏置电压的状态下，当光入射时，电荷由入射光产生并且经由雪崩倍增过程倍增。作为结果，产生雪崩电流。
依赖于反向偏置电压的幅度，APD可以在两个模式中的任一个下操作：盖革(Geiger)模式，在该盖革模式下，大于击穿电压的电压被施加在APD的阳极和阴极之间；以及线性模式，在该线性模式下，施加在阳极和阴极之间的电压接近或小于击穿电压。
当APD在盖革模式下操作时，APD被称为SPAD。例如，电压VL(第一电压)为-30V，并且电压VH(第二电压)为1V。APD 201可以在线性模式下或者在盖革模式下操作。在SPAD中，施加比在APD中使用的电压高的电压，并且击穿提供更大的效果。从这个观点来看，可以期望使用APD 201作为SPAD。
在一个实施例中，开关202连接在APD 201的阳极或阴极的节点中的一个与经由其供给驱动电压VH的电源线之间。开关202切换APD 201与经由其供给驱动电压VH的电源线之间的电阻。在电阻的切换中，电阻值被切换10倍或更大，甚至100倍或更大。在下文中，当电阻被切换到较低的电阻值时，这个切换被称为开关202的接通，而当电阻被切换到较高的电阻值时，这个切换被称为开关202的关断。开关202用作淬熄元件。开关202在信号通过雪崩倍增过程倍增时用作负载电路(淬熄电路)，使得施加到APD 201的电压被抑制，从而抑制雪崩倍增(淬熄操作)。另外，开关202还用于通过在淬熄操作中使与电压下降对应的电流经过来使施加到APD 201的电压返回到驱动电压VH(再充电操作)。
开关202可以使用例如MOS晶体管来实现。在图4中所示的示例中，PMOS晶体管被用作开关202。由信号产生单元215产生的控制信号CLK被供给到开关202，使得它被施加到用作开关202的MOS晶体管的栅电极。在本实施例中，开关202通过控制施加到开关202的栅电极的电压来接通/关断。
信号处理电路103包括波形整形单元210、计数器电路211和选择电路212。注意，在图4中所示的示例中，信号处理电路103包括波形整形单元210、计数器电路211和选择电路212，但是，在本公开中，信号处理电路103可以包括波形整形单元210、计数器电路211和选择电路212中的至少一个。
波形整形单元210对在光子检测操作中获得的APD 201的阴极处的电压变化进行整形，并且将所得的整形的信号作为脉冲信号输出。波形整形单元210的输入侧的节点由节点A表示，并且波形整形单元210的输出侧的节点由节点B表示。波形整形单元210依赖于对节点A的输入电压是等于或高于预定值、还是低于该预定值来改变从节点B输出的电压。例如，在图5中，当等于或高于判断阈值的电压输入到节点A时，节点B处的输出电压被切换到低电平。然而，当等于或低于判断阈值的电压输入到节点A时，节点B处的输出电压被切换到高电平。作为波形整形单元210，例如，使用逆变器(inverter)电路。尽管在图4中所示的示例中，一个逆变器被用作波形整形单元210，但是可以使用包括串行连接的多个逆变器的电路，或者可以使用具有波形整形功能的另一电路。
使用开关202的淬熄操作或再充电操作依赖于APD 201中的雪崩倍增的状态而执行。然而，存在当光子实际入射时信号不响应于光子的入射而输出的可能性。下面将更详细地讨论这样的可能性。这里，假定例如操作处于以下情形中：雪崩倍增在APD中发生，雪崩倍增已使输入到节点A的电压转变为低电平，并且再充电操作正被执行。
一般地，用于在波形整形单元210的判断中使用的判断阈值被设置为高于最小电压的电压，在该最小电压下，雪崩倍增可以在APD中发生。如果在节点A处的电压在再充电操作的中间处于低于判断阈值但是高于雪崩倍增可以在APD中发生的最小电压的值时光子入射，则雪崩倍增在APD中发生，因此节点A处的电压下降。由于在节点A处的电压低于判断阈值时发生节点A处的这个电压下降，所以在节点B处的输出电压中没有发生变化，尽管光子的入射已发生。因此，没有指示光子的入射的信号输出，尽管雪崩倍增已发生。特别地，在高照度条件下，光子在短时间段中连续地入射，这引起光子入射发生、而没有被检测到的概率的增大。作为结果，输出信号的数量趋于偏离入射光子的实际数量，尽管许多光子在高照度条件下入射。
为了处理以上情形，控制信号CLK被施加到开关202以接通/关断开关202，使得即使在光子在短时间中连续地入射在APD上时，也响应于光子的入射而正确地输出信号。参考图5，下面针对举例来说、周期性脉冲信号被用作控制信号CLK的情况描述信号检测操作。换句话说，在图5中所示的示例中，开关202以预定时钟频率接通/关断。然而，抑制检测光子的入射的失败的效果可以通过使用除周期性脉冲信号以外的信号来获得。
计数器电路211对从波形整形单元210输出的脉冲信号的数量进行计数并且保持计数值。当控制脉冲pRES经由驱动线213供给时，保持在计数器电路211中的信号被重置。
控制脉冲pSEL经由图4中所示的驱动线214(在图3中未示出)从图3中所示的垂直扫描电路单元110供给到选择电路212，从而切换计数器电路211与信号线113之间的电连接状态(连接状态或非连接状态)。选择电路212包括例如用于输出信号的缓冲器电路。图4中所示的输出信号OUT是从像素输出的信号。
用作开关的晶体管等可以被部署在开关202与APD 201之间或者光电转换元件102与信号处理电路103之间，从而切换电连接。对光电转换元件102的电压的供给可以通过使用用作开关的晶体管等来在电压VH与电压VL之间电切换。
在根据本实施例的配置中，举例来说，使用计数器电路211。然而，在光电转换装置100中，代替计数器电路211，可以使用时间到数字转换器(TDC)和存储器以获取脉冲检测定时。在这种情况下，脉冲信号被产生并且从波形整形单元210输出的时间通过TDC转换成数字信号。为了使得TDC可以测量脉冲信号被产生的时间，经由驱动线将控制脉冲pREF(参考信号)从图1中所示的垂直扫描电路单元110供给到TDC。TDC参考控制脉冲pREF检测经由波形整形单元210从每个像素输出信号的时间，并且获取指示检测的时间的数字信号。
图5是示意性地示出开关控制信号CLK、节点A处的电压、节点B处的电压和输出信号之间的关系的示图。在本实施例中，当控制信号CLK处于高电平时，驱动电压VH不被供给到APD，而当控制信号CLK处于低电平时，驱动电压VH被供给到APD。控制信号CLK的高电平电压例如为1V，并且控制信号CLK的低电平电压例如为0V。当控制信号CLK处于高电平时，开关处于关断状态，而当控制信号CLK处于低电平时，开关处于接通状态。当控制信号CLK处于高电平时，开关的电阻高于当控制信号CLK处于低电平时。当控制信号CLK处于高电平时，即使在雪崩倍增在APD中发生时，再充电也不容易发生，因此供给到APD的电压变得等于或低于击穿电压。作为结果，APD中的雪崩倍增操作停止。
如图4中所示，开关202可以使用一个晶体管来实现，并且淬熄操作和再充电操作可以通过这一个晶体管执行。这使得与淬熄操作和再充电操作通过不同的电路元件执行的情况相比可以减少电路元件的数量。特别地，在每个像素具有它自己的计数器电路并且SPAD信号在每个像素中被读出的情况下，为了创建用于部署计数器电路的空间，用于部署开关的电路区域可以被最小化。出于这个目的，使用一个晶体管来配置开关202是非常有效的。
在时间t1，控制信号CLK从高电平改变为低电平，因此开关接通，并且APD的再充电操作开始。作为结果，APD的阴极的电压转变为高电平，并且施加在APD的阳极和阴极之间的电压变得大得足以在APD 201中发生雪崩倍增。阴极的电压与节点A的电压相同。因此，当阴极电压从低电平转变为高电平时，在时间t2节点A的电压变得等于或高于判断阈值。此时，从节点B输出的脉冲信号被反转，即，节点B处的电压从高电平转变为低电平。因此，等于驱动电压VH减去驱动电压VL的电压被施加到APD 201。控制信号CLK转变为高电平，并且开关关断。
此后，当在时间t3光子入射在APD 201上时，雪崩倍增操作在APD 201中发生，因此雪崩倍增电流流过开关202并且阴极电压下降。即，节点A处的电压下降。当电压进一步下降并且施加到APD 201的电压差变得较小时，APD 201中的雪崩倍增在时间t2停止，并且节点A的电压电平没有下降超过一定水平。
在节点A的电压下降的过程中，当节点A的电压变得低于判断阈值时，节点B的电压从低电平转变为高电平。即，当节点A处的电压下降到低于判断阈值时，波形整形单元210对波形进行整形，并且从节点B输出信号。这个信号由计数器电路计数，并且从计数器电路输出的计数器信号的计数值递增1LSB。
在时间t3与时间t4之间光子入射在APD上，但是开关处于关断状态并且施加到APD201的电压小于允许雪崩倍增发生的最小值，因此节点A的电压电平没有超过判断阈值。
在时间t4，控制信号CLK从高电平改变为低电平，因此开关接通。作为结果，电流从驱动电压VH流到节点A中使得电压下降被补偿，并且节点A处的电压转变为最初的高电平。在转变为高电平的过程中，在时间t5节点A处的电压变得等于或高于判断阈值，因此在节点B处输出的脉冲信号被反转，即，节点B处的电压从高电平改变为低电平。
在时间t6，节点A处的电压稳定在最初的高电压电平，并且控制信号CLK从低电平转变为高电平。作为结果，开关关断。此后，各个节点和信号线等处的电压以与上述从时间t1到时间t6的操作类似的方式根据控制信号CLK并且响应于光子的入射而改变。
下面描述光电转换装置的各种实施例。
第一实施例
首先，参考图6A和6B描述像素之间的串扰。图6A是示出像素区域中的5×5像素的输出的分布的示图，并且图6B示出沿着图6A中的线X取得的相对输出值。像素101a是有缺陷的像素。如图6A和6B中所示，当在像素区域中存在有缺陷的像素时，不管入射光的照明度(illuminance)如何，在位于有缺陷的像素101a邻近的像素101b和101c的输出电平中都发生增大。这个的可能原因是像素101a中的雪崩发光可以使电荷的产生在邻近像素中发生，并且邻近像素中的产生的电荷经受雪崩倍增。即，像素101a的缺陷创建了雪崩发光可以容易地发生的情形，这使一串缺陷发生，因此在邻近像素101a的像素的相对输出电平中发生增大。这可以导致获得的图像的质量的降低。
参考图7A和7B、图8A和8B以及图9A至9D描述比较实施例，然后参考图10A和10B、图11A和11B以及图12A至12D描述第一实施例。
当如上所述有缺陷的像素101a存在于像素区域中时，如果不管成像模式如何，控制信号CLK都以恒定的频率被施加到开关，则依赖于光电转换装置的成像模式，获得的图像的质量的明显降低可能发生。
图7A是示出比较实施例中的高照度成像过程中的一个帧时段中的控制信号和像素101a中的雪崩发光相关的定时图的示图。图7B是示出比较实施例中的低照度成像过程中的一个帧时段中的控制信号和像素101a中的雪崩发光相关的定时图的示图。在这个比较实施例中，不管成像是在低照度条件下还是高照度条件下执行，控制信号CLK都以固定的频率被不断地供给到开关。在下文中，高照度成像模式也被称为第一模式，并且低照度成像模式也被称为第二模式。
一个帧时段是指例如从脉冲信号VD的上升到下一个脉冲信号VD的上升的时段。注意，一个帧时段是垂直扫描电路单元110扫描像素区域中从第一像素行到最后一个像素行的像素行的时段。
即，一个帧时段是从脉冲信号VD(其是垂直同步信号)转变为高电平一次的发生到转变为高电平的下一次发生的时段。注意，不是必须在一个帧时段中扫描从第一像素行到最后一个像素行的所有像素行。例如，在一个帧时段中从第一行到最后一行扫描的过程中，行的一部分的扫描可以跳过。例如，当像素区域包括从第一行到第n行的行时，可以对从第2行到第(n-1)行的行执行扫描。在这种情况下，一个帧时段由从扫描第2行的开始到扫描第(n-1)行的结束的时段给出。下一个帧时段在下一次扫描第2行时开始并且在第(n-1)行的扫描完成时结束。
在一些行在扫描过程中被跳过、然后跳过的行在紧跟着的扫描过程中被扫描的情况下，一个帧时段可以由在跳过的行的扫描完成时结束的时段给出。
在每个帧时段中，信号处理电路的计数器电路的计数值可以被重置。重置计数值的定时对于所有像素可以是共同的，或者可以对每个像素行顺次地执行重置。
在本实施例中，曝光时段是指例如用于获取一帧的信号的时段。在使用光电转换元件的相机的情况下，曝光时段是指以下时段：在该时段期间，相机处于光可以入射在APD201上的状态，并且APD和信号处理电路可以读取信号。这里，光可以入射的状态是指光没有被机械快门或电快门等阻挡的状态。APD和信号处理电路可以读取信号的时段是指APD和信号处理电路没有被有意地关断的时段。注意，在本说明书中，APD经受淬熄操作的时段不是APD或信号处理电路被有意地关断的时段，并且被包括在信号可读时段中。非曝光时段是指像素区域中的APD 201被遮蔽光使得没有光入射的时段。示例是快门被关闭的时段。曝光时段和非曝光时段不限于由快门是打开还是关闭来定义，而是可以由施加到APD 201的偏压是否被调整使得光子信号可以或者不可以被获取来定义。
控制信号CLK是以上参考图4和图5描述的控制开关202的接通/关断的信号。
在图7中，暗事件(dark event)各自指示图6中的像素101a处的雪崩发光引起的光子的产生的定时。每个暗事件的上升定时指示光子产生定时。实线和虚线这二者指示光子产生定时，但是在虚线处产生的光子不被检测为光子信号并且不被计数。这是因为，如上所述，节点A处的电压响应于光子产生在节点A处的电压变得等于或高于判断阈值之前下降，因此光子产生没有被检测到。
暗计数指示像素101a中包括的计数器电路的计数操作。当控制信号CLK的电压处于低电平时，执行APD的再充电。因此，在在再充电操作被执行之后、光子入射并且在APD中经受雪崩倍增的情况下，获得指示光子的入射的信号，并且计数器电路的计数数递增1。
串扰事件各自指示邻近像素101a的像素中的串扰的发生的定时。由于串扰随机地发生，所以图7A和7B中所示的串扰仅仅是示例。
第一模式与第二模式之间在由雪崩发光等引起的电荷产生的发生的次数上基本没有差异，并且由雪崩发光引起的电荷产生以一定概率发生。
图8A示出图7A中所示的第一模式下的每像素的入射光子的数量与输出计数的值之间的关系。图8B示出图7B中所示的第二模式下的每像素的入射光子的数量与输出计数的值之间的关系。
如图8A中所示，在第一模式下，缺陷输出电平低于信号电平。相比之下，在第二模式下，如图8B中所示，存在缺陷输出电平高于信号电平的可能性。
图9A是示出第一模式下的包括像素101a和像素101a周围的5×5像素的像素的输出的分布的示图，并且图9B示出沿着图9A中的线X取得的相对输出值。图9C是示出第二模式下的包括像素101a和像素101a周围的5×5像素的像素的输出的分布的示图，并且图9D示出沿着图9C中的线X取得的相对输出值。图9B和9D示出在成像被执行时发生的信号电平。在第一模式下，信号电平的相对输出值高于像素101a的相对输出值，因此由于缺陷(诸如刮擦)而造成的像素101a的异常输出不明显。相比之下，在第二模式下，信号电平的相对输出值低于像素101a的相对输出值，因此像素101a的异常输出明显。因此，在第二模式下，由串扰产生的信号使得难以实时正确地检测与入射在像素上的光子对应的信号。
为了处理以上情形，在本实施例中，通过在第二模式下对控制信号CLK的定时进行控制来减小像素101a的影响。在以下描述中，与比较实施例的单元/配置类似的单元/配置的重复描述可能被省略。
图10A是示出根据第一实施例的第一模式下的一个帧时段中的控制信号和像素101a中的雪崩发光相关的定时图的示图。图10B是示出根据第一实施例的第二模式下的一个帧时段中的控制信号和像素101a中的雪崩发光相关的定时图的示图。
在第一实施例中，第二模式下的一个帧时段中用作控制信号CLK的脉冲信号的数量小于第一模式下的一个帧时段中用作控制信号CLK的脉冲信号的数量。
根据第一实施例，与比较实施例相比，第二模式下的输出信号对像素101a的异常输出不那么灵敏，因此可以抑制图像质量的降低。
在一个实施例中，例如，第二模式下每单元时间的控制信号CLK的数量被设置为等于或少于第一模式下的一半。在另一实施例中，例如，第二模式下每单位时间的控制信号CLK的数量被设置为等于或少于第一模式下的1/100倍。
在一个实施例中，第二模式下控制信号CLK的数量等于或少于500，或者等于或少于100。
图11A示出图10A中所示的第一模式下的每像素的入射光子的数量与输出计数的值之间的关系。图11B示出图10B中所示的第二模式下的每像素的入射光子的数量与输出计数的值之间的关系。
根据本实施例，如图11B中所示，第二模式下的缺陷输出电平可以低于信号电平。因此，可以减小读取信号时来自像素101a的串扰，这使得与比较实施例相比可以减小图像质量的降低。
在第二模式下，帧时段中的曝光时段中的脉冲信号的数量小于计数器电路的最大计数值。第二模式下的输出计数的数量小于第一模式下的输出计数的数量。然而，当在低照度条件下执行成像时，入射光子的数量小，因此输出计数的数量的减少没有在对入射光子的数量进行计数时引起问题。
可以通过施加数字增益来对在第二模式下捕获的图像进行校正。
图12A是示出第一模式下的包括像素101a和像素101a周围的5×5像素的像素的输出的分布的示图，并且图12B示出沿着图12A中的线X取得的相对输出值。
图12C是示出第二模式下的包括像素101a和像素101a周围的5×5像素的像素的输出的分布的示图，并且图12D示出沿着图12C中的线X取得的相对输出值。图12B和12D示出在各个模式下发生的信号电平。如从图12C可以看到的，根据本实施例，在第二模式下，像素101a的相对输出值低于比较实施例中的像素101a的相对输出值。因此，在第二模式下，由串扰产生的信号使得难以实时正确地检测与入射在像素上的光子对应的信号。
尽管在图10中或其它地方存在两个模式，但是可以提供第三模式作为在与第一模式和第二模式下的照度条件不同的照度条件下捕获图像的模式。此外，可以提供四个模式或更多个模式。
第二模式下的曝光时段可以不同于第一模式下的曝光时段。例如，第一模式下的曝光时段可以短于第二模式下的曝光时段。注意，当第一模式下的曝光时段等于第二模式下的曝光时段时，也可以获得本实施例的效果。
在图10中，控制信号CLK的周期和频率在每个模式下是恒定的，但是可以存在控制信号CLK的多个周期和频率。例如，一个帧时段对于控制信号CLK的从低电平的发生到低电平的下一次发生的时段可以具有多个值的混合。
如上所述，根据本实施例，可以减小第二模式下噪声对从像素输出的信号的影响。作为结果，与比较实施例相比，可以减小在第二模式下捕获的图像的质量的降低。
第二实施例
图13是根据第二实施例的像素区域中的像素101的一部分的电路框图。第二实施例与第一实施例的不同在于，对于像素区域的每个预定区域改变用作控制信号CLK的脉冲信号的样式。除了以上点和下面描述的点之外，第二实施例与第一实施例基本上类似，因此与第一实施例中的那些元素类似的元素由类似的参考数字表示，并且其重复解释将被省略。
全局时钟(Global CLK)被作为公共控制信号从信号产生单元215输出，并且被供给到分别部署在特定区域中的控制电路216a和216b。控制电路216a和216b中的每一个连接到这些特定区域中的对应的一个中的像素101的开关202。根据输入的控制信号CLK1，控制电路216a控制该区域中的四个像素的驱动。
根据输入的控制信号CLK2，控制电路216b控制该区域中的四个像素的驱动。
控制信号CLK1和控制信号CLK2可以是具有不同样式的脉冲信号。例如，一个帧时段中的脉冲的数量对于控制信号CLK2可以比对于控制信号CLK1大。例如，一个帧时段中的脉冲的重复周期对于控制信号CLK2可以比对于控制信号CLK1长。
根据本实施例，与第一实施例一样，可以减小第二模式下噪声对从像素输出的信号的影响。此外，由于可以对每个区域单独地控制控制信号CLK的样式，所以可以依赖于入射在区域上的光的照度来改变控制信号CLK的样式，从而进一步抑制图像质量的降低。
在图13中所示的示例中，控制电路216控制四个像素，但是一个控制电路216控制的像素的数量不限于四个。例如，每个像素可以连接到一个控制电路216，并且可以对每个像素单独地控制控制信号CLK的样式，或者替代地，五个或更多个像素可以连接到一个控制电路216。
第三实施例
图14是示出根据第三实施例的光检测系统1200的配置的框图。
根据这个实施例的光检测系统1200包括光电转换装置1204。关于光电转换装置1204，可以使用根据上述实施例中的一个的光电转换装置。光检测系统1200可以被用作例如成像系统。成像系统的具体示例包括数字静物相机、数字摄像机、安全相机等。在图14中所示的示例中，光检测系统1200被用作数字静物相机。
图14中所示的光检测系统1200包括光电转换装置1204、透镜1202、光圈1203和屏障1201，该透镜1202用于在光电转换装置1204上形成被摄体的光学图像，该光圈1203用于改变经过透镜1202的光量，该屏障1201用于保护透镜1202。透镜1202和光圈1203形成将光收集在光电转换装置1204上的光学系统。快门1222被部署在光阑1203与光电转换装置1204之间。光电转换装置的曝光时段通过打开和关闭快门1222来控制。
光检测系统1200包括信号处理单元1205，该信号处理单元1205对从光电转换装置1204提供的输出信号进行处理。信号处理单元1205在必要时对输入信号执行信号处理(诸如各种校正处理和压缩处理)，并且输出所得的信号。光检测系统1200包括部署在光电转换装置1204与信号处理单元1205之间的照度检测单元1223。照度检测单元1223检测被摄体的照度，并且将指示被摄体的照度的照度信息发送到控制脉冲产生单元115、定时产生单元1207和信号处理单元1205。基于被摄体的照度信息，控制脉冲产生单元115控制供给到开关的控制信号CLK的定时。光检测系统1200进一步包括缓冲存储器单元1206和外部接口单元(外部I/F单元)1209，该缓冲存储器单元1206用于暂时存储图像数据，该外部接口单元(外部I/F单元)1209用于与外部计算机等通信。光检测系统1200进一步包括存储介质1211(诸如半导体存储器)和存储介质控制接口单元(存储介质控制I/F单元)1210，该存储介质1211用于存储和读取图像数据，经由该存储介质控制接口单元(存储介质控制I/F单元)1210在存储介质1211中/从存储介质1211存储或读取图像数据。存储介质1211可以被部署在光检测系统1200内部或者可以是可拆卸的。存储介质控制I/F单元1210与存储介质1211之间的通信和/或与外部I/F单元1209的通信可以无线地执行。
光检测系统1200进一步包括总体控制/计算单元1208和定时产生单元1207，该总体控制/计算单元1208执行各种计算并且控制整个数字静物相机，该定时产生单元1207将各种定时信号输出到光电转换装置1204和信号处理单元1205。定时信号等可以从外部输入。在这种情况下，光检测系统1200可以至少包括光电转换装置1204和信号处理单元1205，该信号处理单元1205对从光电转换装置1204提供的输出信号进行处理。总体控制/计算单元1208和定时产生单元1207可以被配置为执行光电转换装置1204的控制功能的一部分或全部。
光电转换装置1204将图像信号输出到信号处理单元1205。信号处理单元1205对从光电转换装置1204输出的图像信号执行特定的信号处理，并且将结果作为图像数据输出。信号处理单元1205使用图像信号产生图像。信号处理单元1205可以对从光电转换装置1204输出的信号执行距离测量计算。信号处理单元1205和定时产生单元1207可以被部署在光电转换装置中。即，信号处理单元1205和定时产生单元1207可以被提供在布置有像素的基板上，或者可以被提供在另一基板上。通过使用根据上述实施例中的一个的光电转换装置来形成成像系统，可以实现能够获取较高图像质量的成像系统。
第四实施例
上述成像系统的功能的示例是自动曝光控制(AE)功能。光检测系统1200不仅通过基于照度检测单元1223检测的与被摄体相关的照度信息控制用于光电转换装置1204的曝光时段和光圈1203的光圈值、而且还通过控制控制信号CLK的定时来控制曝光。即，基于与被摄体相关的照度信息，做出关于成像环境是处于低照明度、还是高照明度的确定。当成像环境处于高照明度时，图像模式被设置为模式A，并且在模式A下控制曝光时段和光圈值，而当成像环境处于低照明度时，成像模式被设置为模式B，并且在模式B下控制控制信号CLK的数量。模式B下的控制信号CLK的数量的控制可以例如如以上在第一实施例中描述的那样执行。这提供了以下效果：即使当曝光控制值依赖于成像场景改变时，也可以如上所述自动地控制曝光使得由于缺陷而造成的异常输出的影响减小，从而抑制图像质量的降低。
图15示出根据本实施例的自动曝光控制流程的示例。
在图15中所示的流程中，首先，获取与被摄体相关的照度信息(S1)。然后，基于获取的照度信息计算曝光控制值(S2)。将计算的曝光控制值与阈值EVt1进行比较(S3)。当曝光控制值等于或高于阈值EVt1时，判断成像环境处于高照明度，并且成像模式被设置为模式A。在计算的曝光控制值等于小于阈值EVt1的情况下，将曝光控制值进一步与阈值EVt2进行比较(S4)。当曝光控制值等于或高于阈值EVt2时，确定成像环境处于低照明度，并且成像模式被设置为根据第一实施例的第一模式，并且在第一模式下控制控制信号CLK的数量。当这个控制过程完成时，自动曝光控制结束(S5)。当曝光控制值等于或低于阈值EVt2时，确定成像环境处于更低的照明度，并且成像模式被设置为根据第一实施例的第二模式，并且在第二模式下控制控制信号CLK的数量。当这个控制过程完成时，自动曝光控制结束(S6)。在上述自动曝光控制中，阈值EVt1和EVt2提供用于确定成像环境的照度的确定准则。EVt1和EVt2可以被设置为使得即使在低照度环境中也可以抑制由于像素缺陷(诸如以上在前面的实施例中描述的像素缺陷)而造成的异常输出的值。图16A示出在执行根据本实施例的自动曝光控制的情形下从从光电转换装置1204输出的图像信号计算的被摄体照度值。图16B示出在执行根据本实施例的自动曝光控制时获得的被摄体照度值与控制信号CLK的数量的比率。
如图16A中所示，当曝光控制值在高照度环境中大时，成像模式被设置为模式A，并且曝光时段和光圈值被设置为使得被摄体照度值在特定的照度范围内。另一方面，当曝光控制值如在低照度环境中小时，成像模式被设置为模式B，并且曝光时段和光圈值的控制不被执行。因此，被摄体照度值随着曝光控制值减小而减小。然而，如图16B中所示，当曝光控制值小时，控制信号CLK的数量被控制为使得被摄体照度值与控制信号CLK的数量的比率在特定的控制范围内。控制信号CLK的控制可以例如根据上述第一实施例执行。这里假定成像环境已从曝光控制值在高照度环境中大的状态改变为曝光控制值在低照度环境中小的状态。在这种情况下，响应于照度或曝光控制值的变化，可以以以下的次序切换成像模式：模式A；模式B的第一模式；和模式B的第二模式。这里，在模式B下，可以期望上述特定的控制范围窄，使得当在曝光控制值中发生变化时，由于像素缺陷而造成的异常输出的出现不响应于曝光控制值的变化而显著地改变。更具体地，可以期望该特定的控制范围的上限等于或小于下限的两倍。控制范围不限于此，并且控制范围可以以其它方式设置，只要由缺陷等引起的异常输出不明显即可。在模式A下，假定成像环境处于高照度。然而，由于缺陷等而造成的异常输出在高照明度条件下不明显，因此被摄体照度值与控制信号CLK的数量的比率不一定必须落在特定的控制范围内。
通过以上述方式执行自动曝光控制，即使当曝光控制值依赖于成像场景改变时，通过使用根据上述第一实施例或第二实施例的控制方法，也可以获得不受由像素缺陷等引起的异常输出显著影响的成像信号。这使得可以在抑制图像质量的降低的同时执行自动曝光控制。
第五实施例
图17是示出距离图像传感器的配置的示例的框图，该距离图像传感器是使用根据上述实施例中的一个的光电转换装置实现的电子设备。
如图17中所示，距离图像传感器401包括光学系统407、光电转换装置408、图像处理电路404、监视器405和存储器406。距离图像传感器401通过接收从光源装置409朝着被摄体投射并且被被摄体的表面反射的光(调制光或脉冲光)来获取指示与被摄体的距离的距离图像。
光学系统407包括一个或多个透镜，并且用于将图像光(入射光)从被摄体传导到光电转换装置408以便在光电转换装置408的光接收表面(传感器单元)上形成图像。
作为光电转换装置408，使用根据上述实施例中的一个的光电转换装置。指示距离的距离信号从从光电转换装置408输出的光接受信号获得，并且所得的距离信号被供给到图像处理电路404。
图像处理电路404执行用于基于从光电转换装置408供给的距离信号构造距离图像的图像处理。通过图像处理获得的距离图像(图像数据)被供给到监视器405并且显示在其上，或者被供给到存储器406并且存储(记录)在其中。
在以上述方式配置的距离图像传感器401中，上述具有较高质量像素的光电转换装置的使用使得可以获取例如更准确的距离图像。
第六实施例
根据本公开的技术(本技术)可以被应用到各种产品。例如，根据本公开的技术可以被应用到内窥镜手术系统。
图18是示出可以应用根据本公开的技术(本技术)的内窥镜手术系统的配置的示例的示意图。
更具体地，图18例示说明外科大夫(医生)1131使用内窥镜手术系统1003对病床1133上的病人1132执行手术。如所示的，内窥镜手术系统1003包括内窥镜1100、手术工具1110和手推车1134，该手推车1134配备有用于内窥镜手术的各种装置。
内窥镜1100包括镜筒1101和连接到镜筒1101的基端的相机头1102，该镜筒1101的具有特定长度的前面部分被插入在病人1132的体腔中。在图18中所示的示例中，内窥镜1100被配置为所谓的具有刚性筒1101的刚性内窥镜。然而，内窥镜1100可以被配置为所谓的具有柔性筒的柔性内窥镜。
其中嵌入物镜的开口被形成在镜筒1101的尖端。光源装置1203连接到内窥镜1100。由光源装置1203产生的光通过在镜筒1101内部延伸的光导引导到镜筒的尖端。这个光通过物镜朝着病人1132的体腔中的观察目标物体发射。内窥镜1100可以是前视内窥镜、前斜视内窥镜或侧视内窥镜。
光学系统和光电转换装置被提供在相机头1102内部，并且来自观察目标的反射光(观察光)通过光学系统聚焦在光电转换装置上。观察光通过光电转换装置光电转换成与观察光对应的电信号。作为结果，获得与观察图像对应的图像信号。作为光电转换装置，可以使用在上述实施例中的一个中描述的光电转换装置。图像信号被作为RAW数据发送到相机控制单元(CCU)1135。
CCU 1135包括CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)等，并且总体上控制内窥镜1100和显示装置1136的操作。此外，CCU 1135从相机头1102接收图像信号，并且对图像信号执行各种图像处理(诸如显影处理(去马赛克处理))以显示基于图像信号的图像。
显示装置1136在CCU 1135的控制下显示基于经受CCU 1135的图像处理的图像信号的图像。
光源装置1203包括光源(诸如LED(发光二极管))，并且在操作(operation)部分等的图像被捕获时将照射光供给到内窥镜1100。
输入装置1137用作与内窥镜手术系统1003的输入接口。用户可以经由输入装置1137将各种信息和指令输入到内窥镜手术系统1003。
治疗仪器控制装置1138控制能量治疗仪器1112的驱动以用于组织的烧灼或切开、血管的封止等。
用于在操作部分的图像被捕获时将照射光供给到内窥镜1100的光源装置1203可以使用使用LED、激光源或其组合的白光源来实现。在白光源通过RGB激光源的组合实现的情况下，可以准确地控制每个颜色(每个波长)的输出强度和输出定时，因此光源装置1203可以调整捕获的图像的白平衡。此外，在这种情况下，图像可以被捕获，使得以时分方式执行从RGB激光源中的每一个到观察目标的激光的供给，并且与光供给定时同步地驱动相机头1102的成像设备以便以时分方式捕获每个颜色的图像。在这个方法中，可以不在成像设备上提供颜色过滤器而获得彩色图像。
光源装置1203可以被控制为使得输出光的强度以预定的时间间隔改变。通过控制相机头1102的成像设备与光强度的改变的定时同步地被驱动以以时分方式获取图像并且组合图像，可以产生具有高动态范围而不具有曝光不足和过度曝光的图像。
光源装置1203可以被配置为能够供给预定波长带中的光以用于特殊光观察。特殊光观察通过例如身体组织对光的吸收对于身体组织中的光吸收的波长的依赖性来实现。更具体地，目标组织(诸如黏膜的表面层上的血管)可以被与通常的照射光(即，白光)相比具有窄带的光照射，从而获得具有高对比度的目标组织的图像。
替代地，特殊光观察可以通过荧光观察来实现，在该荧光观察中，通过在目标被照射激发光时发生的荧光来获得图像。在荧光观察中，身体组织被激发光照射，并且观察响应于光的激发而在身体组织上发生的荧光，或者试剂(诸如吲哚菁绿(ICG))被局部注入到身体组织中，并且身体组织被具有与试剂的荧光波长对应的波长的激发光照射，并且观察所得的荧光图像。如上所述，光源装置1203可以被配置为能够供给窄带光和/或激发光以用于特殊光观察。
第七实施例
下面参考图19A和19B以及图20描述根据第七实施例的光检测系统和移动体。图19A是根据第七实施例的光电转换系统的框图，并且图19B是例示说明根据第八实施例的移动体的示图。图20是示出根据本实施例的光检测系统的操作的流程图。在这个实施例中，车内相机被作为光检测系统的示例描述。
更具体地，图19B示出车辆系统的示例，并且图19A示出部署在车辆系统中的用于成像的光检测系统的示例。光检测系统1301包括光电转换装置1302、图像预处理单元1315、集成电路1303和光学系统1314。光学系统1314在光电转换装置1302上形成被摄体的光学图像。光电转换装置1302将通过光学系统1314形成的被摄体的光学图像转换成电信号。光电转换装置1302可以是根据上述实施例中的一个的光电转换装置。图像预处理单元1315对从光电转换装置1302输出的信号执行预定的信号处理。图像预处理单元1315的功能可以合并在光电转换装置1302中。光检测系统1301包括至少两组光学系统1314、光电转换装置1302和图像预处理单元1315，并且被配置为使得从每组的图像预处理单元1315输出的信号输入到集成电路1303。
集成电路1303是被设计用于在成像系统应用中使用的集成电路，并且包括图像处理单元1304(其包括存储器1305)、光学距离测量单元1306、距离测量计算单元1307、物体识别单元1308和异常检测单元1309。图像处理单元1304对从图像预处理单元1315提供的输出信号执行诸如显影处理和/或缺陷校正处理的图像处理。存储器1305暂时存储捕获的图像和指示缺陷像素的位置的信息。光学距离测量单元1306执行被摄体的图像的聚焦和距离测量处理。距离测量计算单元1307从通过多个光电转换装置1302获取的多个图像数据计算距离测量信息。物体识别单元1308识别诸如汽车、道路、标志或人的被摄体。当异常检测单元1309检测到光电转换装置1302中的异常时，异常检测单元1309向主控制单元1313通知异常。
集成电路133可以通过针对专门的用途设计的硬件或通过软件模块来实现，或者可以通过其组合来实现。替代地，集成电路1303可以通过FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)等来实现，或者可以通过其组合来实现。
主控制单元1313总体上控制光检测系统1301、车辆传感器1310、控制单元1320等的操作。可以不提供主控制单元1313。在这种情况下，可以在光检测系统1301、车辆传感器1310和控制单元1320中的每一个中提供通信接口，并且控制信号可以经由通信网络(根据例如CAN标准)在光检测系统1301、车辆传感器1310和控制单元1320之间发送。
集成电路1303具有根据从主控制单元1313接收的控制信号或者根据在集成电路1303内部产生的控制信号向光电转换装置1302发送控制信号或设置值的功能。
光检测系统1301连接到车辆传感器1310，并且可以在部署有光检测系统1301的车辆的车速、偏航率、转向角等方面检测行驶状态，并且还可以检测车辆外部的环境的状态、其它车辆/障碍物的状态。车辆传感器1310还用作用于获取指示与物体的距离的距离信息的距离信息获取单元。光检测系统1301连接到驾驶支持控制单元1311，该驾驶支持控制单元1311提供各种驾驶支持，诸如自动转向、自动巡航、碰撞防止等。还提供碰撞预测/检测功能。在这个功能中，预测与另一车辆/物体的碰撞，或者基于由光检测系统1301和/或车辆传感器1310提供的检测结果检测碰撞的发生。当预测到碰撞时，执行避免碰撞的控制操作，并且万一碰撞则激活安全装置。
光检测系统1301还连接到警报装置1312，该警报装置1312基于碰撞预测/检测单元的预测/检测结果向驾驶员发出警报。例如，在碰撞预测/检测单元的预测/检测结果指示碰撞将要以高概率发生的情况下，主控制单元1313控制车辆通过应用制动器、释放加速器或抑制引擎输出来避免碰撞或减小损坏。警报装置1312通过使警报发声、在汽车导航系统或仪表盘的显示屏幕上显示警报信息、或者使安全带或转向盘振动来警告用户。
在本实施例中，车辆周围的图像由光检测系统1301捕获。更具体地，例如，捕获车辆的前方或后方的环境的图像。图19B示出针对车辆的前方的环境的图像由光检测系统1301捕获的情况部署光检测系统1301的方式的示例。
两个光电转换装置1302部署在车辆1300的前方。更具体地，在前向/后向行驶方向上延伸的车辆1300的外形(例如，宽度)的中心线被当作对称轴，并且两个光电转换装置1302围绕对称轴线对称地部署。这个配置可以期望用于获取指示车辆1300与成像目标物体之间的距离的距离信息，并且可以期望用于确定碰撞的可能性。期望光电转换装置1302被部署为不阻碍正试图从驾驶员的座位查看车辆1300外部的状况的驾驶员的视野。在一个实施例中，警报装置1312被部署为使得驾驶员可以容易地查看警报装置1312。
接下来，参考图20描述光检测系统1301中的光电转换装置1302的故障检测操作。光电转换装置1302的故障检测操作根据图20中所示的步骤S1410至S1480执行。
在步骤S1410中，执行光电转换装置1302的启动设置。即，从光检测系统1301外部(例如，从主控制单元1313)或光检测系统1301内部发送用于光电转换装置1302的操作的设置，并且开始光电转换装置1302的成像操作和故障检测操作。
接下来，在步骤S1420中，从正常像素获取像素信号。在接下来的步骤S1430中，获取来自针对故障检测而提供的故障检测像素的输出值。故障检测像素与正常像素一样包括光电转换元件。特定的电压被写入这个光电转换元件。故障检测像素输出与在光电转换元件中写入的电压对应的信号。步骤S1420和S1430在次序上可以反转。
接下来，在步骤S1440中，关于来自故障检测像素的实际的输出值与对于故障检测像素的预期的输出值一致、还是不一致执行确定。在该确定指示实际的输出值与预期的输出值一致的情况下，处理流程前进到步骤S1450。在S1450中，确定成像操作正常，并且处理流程前进到步骤S1460。在步骤S1460中，将扫描行的像素信号发送到存储器1305并且暂时存储在其中。此后，处理流程返回到步骤S1420，并且故障检测操作继续。在步骤S1440中的确定指示实际的输出值与预期的输出值不一致的情况下，处理流程前进到步骤S1470。在步骤S1470中，确定在成像操作中存在异常，并且向主控制单元1313或警报装置1312发出警报。警报装置1312在显示单元上显示指示已检测到异常的信息。此后，在步骤S1480中，光电转换装置1302停止，并且光检测系统1301的操作结束。
在本实施例中，举例来说，对每行执行流程图中的迭代循环。然而，可以对两行或更多行中的每行、或者对每帧执行用于故障检测的迭代循环。在步骤S1470中，可以经由无线网络向车辆外部发出警报。
在上述实施例中，举例来说，执行控制以避免与另一车辆的碰撞。然而，本实施例还可以被应用到对跟随另一车辆的自动驾驶的控制、对自动驾驶以便不离开车道的控制等。此外，光检测系统1301可以不仅被应用到车辆，而且还被应用到移动体(移动装置)，诸如船舶、飞机、工业机器人等。此外，它可以不仅被应用到移动体，而且还被应用到使用物体识别处理的各种各样的设备，诸如智能运输系统(ITS)。
根据本公开的光电转换装置可以被配置为能够获取诸如距离信息的各种信息。
第八实施例
图21A作为应用的示例中的一个例示说明眼镜1600(智能眼镜)。眼镜1600具有光电转换装置1602。光电转换装置1602可以是根据上述实施例中的一个的光电转换装置。包括发光设备(诸如OLED或LED)的显示装置可以提供在镜片(lens)1601的后表面侧。可以提供一个或多个光电转换装置1602。当使用多个光电转换装置时，其类型可以相同或不同。部署光电转换装置1602的位置不限于图21A中所示的位置。
眼镜1600进一步包括控制装置1603。控制装置1603用作用于将电力供给到光电转换装置1602和上述显示装置的电源。控制装置1603控制光电转换装置1602和显示装置的操作。镜片1601具有用于将光聚焦在光电转换装置1602上的光学系统。
图21B示出眼镜1610(智能眼镜)的另一个示例。眼镜1610具有控制装置1612，其中控制装置1612包括显示装置和与光电转换装置1602对应的光电转换装置。镜片1611具有将光(光由控制装置1612中的光电转换装置和显示装置产生)投射到其上、从而在镜片1611上投射图像的光学系统。控制装置1612用作用于将电力供给到光电转换装置和显示装置的电源，并且用于控制光电转换装置和显示装置的操作。控制装置可以包括检测佩戴眼镜1610的用户的视线的视线检测单元。可以使用红外光以检测视线。红外光发射单元朝着正注视显示图像的用户的眼球发射红外光。可以通过由具有光接收元件的成像单元检测来自眼球的发射的红外光的反射光来获得眼球的图像。通过提供用于减少在平面图中看到的从红外发射单元到显示单元的光的减少单元，图像质量的降低减小。
从使用红外光捕获的眼球的图像检测用户对显示图像的视线。任意的已知方法可以在使用眼球的捕获图像的视线检测中使用。例如，基于使用角膜上的照射光的反射的浦肯野(Purkinje)图像的视线检测方法可以被使用。
更具体地，基于瞳孔角膜反射法执行视线检测过程。通过使用瞳孔角膜反射法、基于眼球的捕获图像中包括的瞳孔的图像和浦肯野图像计算表示眼球的方向(旋转角度)的视线矢量来检测用户的视线。
根据本实施例的显示装置可以包括具有光接收元件的光电转换装置，并且可以基于从光电转换装置提供的用户的视线信息控制显示装置上显示的图像。
更具体地，显示装置基于视线信息确定用户正观看的第一视野区域和除第一视野区域以外的第二视野区域。第一视野区域和第二视野区域可以由显示装置的控制装置确定，或者可以接收指示由外部控制装置确定的第一视野区域和第二视野区域的信息。在显示装置的显示区域中，第一视野区域的显示分辨率可以被控制为高于第二视野区域的显示分辨率。即，第二视野区域的分辨率可以低于第一视野区域的分辨率。
显示区域可以包括第一显示区域和不同于第一显示区域的第二显示区域。可以基于视线信息确定第一显示区域和第二显示区域的优先级。第一视野区域和第二视野区域可以由显示装置的控制装置确定，或者可以接收由外部控制装置确定的那些。高优先级区域的分辨率可以被控制为高于除高优先级区域以外的区域的分辨率。即，具有相对低优先级的区域的分辨率可以被控制为低。
注意，可以使用AI来执行第一视野区域的确定和高优先级区域的确定。AI可以基于被配置为从眼球的图像估计视线的角度和与视线前面的目标物体的距离的模型，其中该模型通过使用眼球的图像和图像上捕获的眼球实际对准的方向的训练数据执行学习来构建。AI程序可以由显示装置、光电转换装置或外部装置拥有。在AI程序由外部装置拥有的情况下，它经由通信传送到显示装置。
在基于视觉检测控制显示的情况下，可以将该技术应用到进一步包括光电转换装置以捕获外部的图像的智能眼镜。智能眼镜可以实时地显示捕获的外部信息。
其它实施例
以上已参考各种实施例描述了本公开。然而，本公开不限于这些实施例，并且可以进行各种修改和改变。实施例可以是相互适用的。
虽然已参考示例性实施例描述了本公开，但是要理解的是，本公开不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围要被赋予最广泛的解释以便涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
光电二极管，所述光电二极管包括阳极和阴极；
开关，所述开关连接到所述阳极和阴极中的一个的节点而且连接到电源线，并且用于切换所述节点与所述电源线之间的电阻值，驱动电压经由所述电源线供给；以及
产生单元，所述产生单元被配置为产生用于控制所述开关的切换的脉冲信号，
所述装置能够在包括第一模式和第二模式的两个模式中的一个下操作，所述第二模式能够在比所述第一模式下的照度条件低的照度条件下使用，
在用于获取一帧信号的曝光时段中，所述第二模式下的脉冲信号的数量比所述第一模式下小。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述第二模式下的脉冲信号的数量等于或小于所述第一模式下的脉冲信号的数量的一半。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，
在用于获取所述一帧信号的曝光时段中，所述第二模式下的脉冲信号的数量小于500。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括计数器电路，
其中，所述计数器电路被部署在使得在平面图中观看时所述计数器电路与所述光电二极管重叠的位置处。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，在用于获取一帧信号的曝光时段中，所述脉冲信号的数量小于所述计数器电路的最大计数值。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置具有像素区域，在平面图中观看时，多个光电二极管以二维阵列的形式布置在所述像素区域中。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，在所述第二模式下，脉冲信号被供给到所述像素区域中的特定区域，使得所述脉冲信号依赖于所述特定区域而具有不同的样式。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲信号是以重复周期重复的信号。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光电二极管在盖革模式下被驱动。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述装置具有第三模式，所述第三模式是用于在比所述第一模式下低且比所述第二模式下高的照度中使用的成像模式，并且
所述第三模式下的脉冲信号的数量大于所述第二模式下的脉冲信号的数量且小于所述第一模式下的脉冲信号的数量。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，用于获取所述第一模式下的一帧信号的曝光时段短于用于获取所述第二模式下的一个周期的信号的曝光时段。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一模式下的脉冲信号和所述第二模式下的脉冲信号中的至少一个具有多个重复周期的混合。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述开关是MOS晶体管，
所述开关的节点中的一个连接到所述光电二极管的阴极，
所述开关的节点中的另一个连接到所述电源线，并且
所述脉冲信号被供给到所述开关的栅电极。
14.一种系统，包括：
根据权利要求1所述的装置，以及
检测单元，所述检测单元被配置为检测被摄体的照度。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，根据检测的照度在所述第一模式与所述第二模式之间切换模式。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，
根据检测的照度确定曝光控制值，并且
根据所述曝光控制值与预定的模式切换设置值之间的比较结果在所述第一模式与所述第二模式之间切换模式。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，在所述第二模式下，所述脉冲信号的数量被控制为使得所述脉冲信号的数量与检测的照度值的比率落在特定的控制范围内。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述特定的控制范围中的上限值与下限值的比率等于或小于2。
19.根据权利要求14所述的系统，进一步包括处理单元，所述处理单元被配置为对所述装置输出的信号进行处理。
20.一种移动体，包括：
根据权利要求1所述的装置，以及
获取单元，所述获取单元被配置为从距离测量信息获取指示与目标物体的距离的距离信息，所述距离测量信息基于所述装置提供的信号获得，
所述移动体进一步包括控制单元，所述控制单元被配置为基于所述距离信息控制所述移动体。
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