CN116711320A

CN116711320A - 光电转换装置和光学检测系统

Info

Publication number: CN116711320A
Application number: CN202280009282.4A
Authority: CN
Inventors: 大田康晴; 森本和浩
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2023-09-05

Abstract

本光电转换装置包括：雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管包括阳极和阴极；开关，所述开关连接到阳极和阴极中的一个节点、以及将被施加驱动电压的电力线，并且用于在所述一个节点和电力线之间切换电阻值；以及信号产生单元，所述信号产生单元产生用于控制开关的切换的脉冲信号。通过将第一曝光时间段内的脉冲信号的数量除以第一曝光时间段而获得的值与通过将第二曝光时间段内的脉冲信号的数量除以第二曝光时间段而获得的值是不同的，第二曝光时间段的长度不同于第一曝光时间段的长度。

Description

光电转换装置和光学检测系统

技术领域

本发明涉及一种执行光电转换的光电转换装置和光学检测系统。

背景技术

已经知道包括像素阵列的光电转换装置，在像素阵列中，包括多个雪崩光电二极管(APD)的像素被平面地布置在二维阵列中。在每个像素的半导体区内的P-N结区中，由单个光子感应的光电荷引起雪崩倍增。

日本专利申请公开No.2020-123847讨论了包括APD的像素、猝熄电路、信号控制电路和脉冲产生电路，猝熄电路连接到APD，从APD输出的信号被输入到信号控制电路，脉冲产生电路连接到猝熄电路和信号控制电路。脉冲产生电路控制猝熄电路的开/关。日本专利申请公开No.2020-123847还讨论了对于每个脉冲信号重置输出信号，从而即使是在高亮度下也输出对应于输入光子的脉冲信号。

日本专利申请公开No.2020-123847没有讨论在曝光时间段变化的情况下将输出的、曝光时间段内的脉冲信号的数量和周期。日本专利申请公开No.2020-123847具有考虑基于与曝光时间段的关系来控制脉冲信号的空间。

PTL 1：日本专利申请公开No.2020-123847

发明内容

根据一方面的光电转换装置包括：雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管包括阳极和阴极；开关，所述开关连接到阳极和阴极中的一个节点以及将被施加驱动电压的电力线，并且被配置为在所述一个节点和电力线之间切换电阻值；以及信号产生单元，所述信号产生单元被配置为产生用于控制开关的切换的脉冲信号，其中通过将第一曝光时间段内的脉冲信号的数量除以第一曝光时间段并且将除得的值乘以第一曝光时间段而获得的值与通过将第二曝光时间段内的脉冲信号的数量除以第二曝光时间段并且将除得的值乘以第一曝光时间段而获得的值是不同的，第二曝光时间段的长度不同于第一曝光时间段的长度。

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例示说明传感器基板的布置例子。

图3例示说明电路基板的布置例子。

图4A是包括光电转换元件的等效电路的框图。

图4B是包括光电转换元件的等效电路的框图。

图5是例示说明雪崩光电二极管(APD)的操作和输出信号之间的关系的示图。

图6A是根据第一示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图6B是根据第一示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图6C是根据第一示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图7A是根据比较配置的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图7B是根据比较配置的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图7C是根据比较配置的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图8是例示说明根据第一示例性实施例的光电转换装置的操作模式的例子的流程图。

图9A是根据第一示例性实施例的修改例子的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图9B是根据第一示例性实施例的修改例子的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图9C是根据第一示例性实施例的修改例子的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图9D是根据第一示例性实施例的修改例子的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图9E是根据第一示例性实施例的修改例子的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图9F是根据第一示例性实施例的修改例子的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图10A是根据第二示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图10B是根据第二示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图10C是根据第二示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图11是例示说明根据第三示例性实施例的光电转换装置的每一曝光时间段的入射光子的数量和计数值之间的关系的示图。

图12例示说明根据第三示例性实施例的光电转换装置的电路基板的布置例子。

图13A是根据第三示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图13B是根据第三示例性实施例的光电转换装置的控制脉冲的时序图。

图14是根据第四示例性实施例的光学检测系统的框图。

图15是根据第五示例性实施例的光学检测系统的框图。

图16是根据第六示例性实施例的光学检测系统的框图。

图17A是根据第七示例性实施例的光学检测系统的框图。

图17B是根据第七示例性实施例的光学检测系统的框图。

图18是根据第七示例性实施例的光学检测系统的流程图。

图19A是例示说明根据第八示例性实施例的电子设备的特定例子的示图。

图19B是例示说明根据第八示例性实施例的电子设备的特定例子的示图。

具体实施方式

以下示例性实施例是为了体现本发明的技术构思而提供的，而非意图限制本发明。在附图中例示说明的构件的大小和位置关系有时被放大以使描述清晰易懂。在以下描述中，相同的组件被分配相同的标号，并且它们的描述有时将被省略。

将参照图1至图4B来描述对于根据示例性实施例的光电转换设备共同的配置。光电转换装置包括单光子雪崩二极管(SPAD)像素，该像素包括雪崩光电二极管(APD)。在雪崩二极管中产生的电荷对之中，将被用作信号电荷的电荷的导电型将被称为第一导电型。第一导电型是指其中与信号电荷相同极性的电荷被认为是主载体的导电型。另外，与第一导电型相反的导电型将被称为第二导电型。将给出如下例子的以下描述，在该例子中，信号电荷是电子，第一导电型是N型，第二导电型是P型，但是信号电荷可以是空穴，第一导电型可以是P型，第二导电型可以是N型。

在信号电荷是电子的情况下，信号是从APD的阴极读出的，而在信号电荷是空穴的情况下，信号是从PAD的阳极读出的。因此，APD的阴极和阳极具有相反的关系。

在本说明书中，“平面图”是指从垂直于布置有下面将描述的光电转换元件的半导体层的光入射表面的方向所看的视图。另外，截面是指垂直于布置有光电转换元件的半导体层的光入射表面的方向上的表面。在半导体层的光入射表面在显微镜下看时是粗糙表面的情况下，平面图是基于宏观看到的半导体层的光入射表面定义的。

首先，将描述对于示例性实施例共同的配置。

图1是例示说明根据本发明的示例性实施例的光电转换装置100的配置的示图。将使用光电转换装置100是堆叠型光电转换装置的示例情况来给出以下描述。换句话说，将使用包括与电连接的传感器基板11和电路基板21相对应的两个堆叠的基板的光电转换装置作为例子来给出描述。尽管如此，光电转换装置不限于此。例如，光电转换装置可以是其中传感器基板11中包括的组件和电路基板中包括的组件(将在下面进行描述)被布置在共同的半导体层中的光电转换装置。在以下描述中，其中传感器基板11中包括的组件和电路基板中包括的组件被布置在共同的半导体层中的光电转换装置也将被称为非堆叠光电转换装置。

传感器基板11包括第一半导体层和第一布线结构，第一半导体层包括下面将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布线结构，第二半导体层包括诸如下面将描述的信号处理电路103的电路。光电转换装置100包括按以下次序堆叠的第二半导体层、第二布线结构、第一布线结构和第一半导体层。

图1例示说明背照式光电转换装置，该装置接收从第一表面进入的光，并且包括布置在与第一表面相对的第二表面上的电路基板。在光电转换装置100是非堆叠光电转换装置的情况下，其上布置信号处理电路的表面将被称为第二表面。在光电转换装置100是背照式光电转换装置的情况下，半导体层的在第二表面的相对侧的第一表面用作光入射表面。在光电转换装置100是前照式光电转换装置的情况下，半导体层的第二表面用作光入射表面。

在以下描述中，传感器基板11和电路基板21将被描述为切单颗的芯片，但是传感器基板11和电路基板21不限于这样的芯片。例如，每个基板都可以是晶圆。可替代地，基板可以在晶圆状态下被堆叠之后被切单颗，或者可以被切单颗为芯片，然后通过堆叠芯片而被接合。

像素区域12被布置在传感器基板11上，用于处理在像素区域12中检测到的信号的电路区域22被布置在电路基板21上。

图2是例示说明传感器基板11的布置例子。像素101在平面图中被布置在二维阵列中，并且形成像素区域12，每个像素101包括光电转换元件102，光电转换元件102包括雪崩光电二极管(在下文中称为APD)。

通常，像素101是用于形成图像的像素。在像素101被用于飞行时间(TOF)传感器中的情况下，无需总是形成图像。也就是说，像素101可以是用于测量光到达的时间以及用于测量光量的像素。

图3是电路基板21的配置图。电路基板21包括信号处理电路103、读出电路102、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，信号处理电路103对被图2中例示说明的光电转换元件102光电转换的电荷进行处理。

图2中例示说明的光电转换元件102和图3中例示说明的信号处理电路103经由为每个像素提供的连接导线电连接。

垂直扫描电路单元110接收从控制脉冲产生单元115供应的控制脉冲，并且将控制脉冲供应给每个像素。诸如移位寄存器或地址解码器的逻辑电路被用作垂直扫描电路单元110。

控制脉冲产生单元115包括信号产生单元215，信号产生单元215产生下面将描述的开关的控制信号P_CLK。如下所述，信号产生单元215产生用于控制开关的脉冲信号。如图4A中例示说明的，例如，信号产生单元215可以产生用于像素区域中的多个像素的公共控制信号P_CLK，或者如图4B中例示说明的，信号产生单元215可以产生用于每个像素的控制信号P_CLK。在信号产生单元215产生公共脉冲信号P_CLK的情况下，信号产生单元215以用于控制曝光时间段的信号P_EXP脉冲信号的周期、脉冲数量和脉宽中的至少一个与曝光时间段相关联的方式来产生共同的控制信号P_CLK。在信号产生单元215控制用于每个像素的控制信号P_CLK的情况下，信号产生单元215可以使用从控制脉冲产生单元115输出的输入信号P_CLK_IN和用于控制曝光时间段的信号P_EXP这两者来产生控制信号P_CLK。控制脉冲产生单元115可取地包括例如分频器电路。这使得能够实现简单的控制，并且可以减少元件数量的增加。

从像素的光电转换元件102输出的信号由信号处理电路103处理。计数器和存储器被提供在信号处理电路103中，数字值被存储在存储器中。

水平扫描电路单元111将用于顺序地选择每列的控制脉冲输入到信号处理电路103，以从存储数字信号的每个像素的存储器读出信号。

对于选择的列，信号从与垂直扫描电路单元110选择的像素相对应的信号处理电路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输出到在光电转换装置100外部提供的记录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可以一维排列。即使在像素数量为一个的情况下，也可以获得本发明的效果，并且像素数量为一个的情况也包括在本发明中。尽管如此，如果光电转换装置包括多个像素，则可以更容易地获得本示例性实施例的功耗降低效果。无需为所有的光电转换元件中的每个都提供信号处理单元的功能。例如，一个信号处理单元可以被多个光电转换元件共享，并且信号处理可以被顺序地执行。

如图2和图3中例示说明的，多个信号处理电路103被布置在平面图中的与像素区域12重叠的区域中。然后，垂直扫描电路单元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以在平面图中与由传感器基板11的端部和像素区域12的端部限定的区域重叠的方式布置。换句话说，传感器基板11包括像素区域12和围绕像素区域12布置的非像素区域。然后，垂直扫描电路单元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被布置在平面图中与非像素区域重叠的区域中。

信号线113的布置、读出电路112和输出电路114的布置不限于图3中例示说明的那些布置。例如，信号线113可以被布置为在行方向上延伸，读出电路112可以被布置在延伸的信号线113的端部。

图4A和图4B每个都例示说明包括图2和图3的等效电路的框图的例子。图4A例示说明对于多个像素共同提供信号产生单元215的例子，图4B例示说明可以对每个像素控制控制信号P_CLK的例子。

在图4A和图4B中，包括APD 201的光电转换元件102被提供在传感器基板11上，其他构件被提供在电路基板21上。

APD 201通过光电转换来产生与入射光相对应的电荷对。APD 201的两个节点中的一个节点连接到被供应驱动电压VL(第一电压)的电力线。APD 201的两个节点中的另一个节点连接到被供应驱动电压VH(第二电压)的电力线，驱动电压VH(第二电压)高于供应给阳极的驱动电压VL。在图4A和图4B中，APD 201的一个节点是阳极，APD 201的另一个节点是阴极。用于使APD 201执行雪崩倍增操作的反向偏置电压被供应给APD 201的阳极和阴极。通过引起这样的电压被供应的状态，通过入射光产生的电荷引起雪崩倍增，并且雪崩电流被产生。

在反向偏置电压被供应的情况下，APD被以盖革模式(Geiger mode)或线性模式操作。在盖革模式下，APD被以阳极和阴极之间的大于击穿电压的电位差操作。在线性模式下，APD被以阳极和阴极之间的接近击穿电压的电位差、或者等于或小于击穿电压的电压差操作。

以盖革模式操作的APD将被称为SPAD。例如，驱动电压VL(第一电压)为-30V，驱动电压VH(第二电压)为1V。APD 201可以被以线性模式操作，或者可以被以盖革模式操作。因为与处于线性模式的APD相比，SPAD的电位差变大，并且SPAD的耐电压效应变得更加突出，所以使用SPAD是可取的。

开关202连接到被供应驱动电压VH的电力线、以及APD 201的阳极和阴极中的一个节点。然后，开关202切换APD 201和被供应驱动电压VH的电力线之间的电阻值。这里，切换电阻值优选地将电阻值变为十倍电阻值或更大，更优选地将电阻值变为百倍电阻值或更大。在下文中，减小电阻值也将被称为接通开关202，增大电阻值也将被称为关断开关202。开关202用作猝熄元件。开关202在信号通过雪崩倍增而被倍增时用作负载电路(猝熄电路)，并且具有通过抑制将被供应给APD 201的电压(猝熄操作)来抑制雪崩倍增的功能。开关202还具有通过流动与由猝熄操作(再充电操作)引起的压降相对应的量的电流来使将被供应给APD 201的电压返回到驱动电压VH的功能。

开关202可以包括例如金属-氧化物半导体(MOS)晶体管。图4A和图4B例示说明开关202是P沟道MOS(PMOS)晶体管的情况。从信号产生单元215供应的开关202的控制信号P_CLK被施加于开关202中包括的MOS晶体管的栅电极。在本示例性实施例中，通过控制施加于开关202的栅电极的施加电压，开关202的开和关被控制。

信号处理电路103包括波形成形单元210、计数器电路211和选择电路212。在图4A和图4B中，信号处理电路103包括波形成形电路210、计数器电路211和选择电路212，但是在本说明书中，信号处理电路103只需要包括波形成形单元210、计数器电路211和选择电路212中的至少任何一个。

波形成形单元210通过使在光子检测时获得的APD 201的阴极的电位变化成形来输出脉冲信号。波形成形单元210的输入侧节点被认为是节点A，输出侧节点被认为是节点B。波形成形单元210根据节点A的输入电位是等于或大于预定值、还是低于预定值来改变节点B的输出电位。例如，在图5中，如果节点A的输入电位变为等于或大于确定阈值的高电位，则节点B的输出电位变为低电平。然后，如果节点A的输入电位变为低于确定阈值的电位，则节点B的输出电位变为高电平。例如，逆变电路被用作波形成形单元210。图4A和图4B例示说明一个逆变电路被用作波形成形单元210的例子，但是其中多个逆变器串联连接的电路可以被使用，或者具有波形成形效果的另一电路可以被使用。

根据APD 201中的雪崩倍增，可以使用开关202来执行猝熄操作和再充电操作，但是在一些情况下，取决于光子的检测定时，该光子不被确定为输出信号。例如，当雪崩倍增在APD中发生时，节点A的输入电位变为低电平，并且再充电操作正被执行，波形成形操作210的确定阈值一般被设置为比在APD中发生雪崩倍增的电位差高的电位。如果当节点A处的电位由于再充电操作而低于确定阈值、并且该电位是APD中的可以发生雪崩倍增的电位时，光子进入，则雪崩倍增在APD中发生，并且节点A处的电压下降。换句话说，因为节点A处的电位在低于确定阈值的电压下下降，所以尽管光子被检测到，但是节点B的输出电位不改变。因此，尽管雪崩倍增发生，但是光子停止被确定为信号。尤其是在高照度下，因为光子在短时间段内连续地进入，所以光子变得难以被确定为信号。由于这个原因，尽管照度高，但是在实际的入射光子的数量和输出信号的数量之间容易出现差异。

与此不同地，通过将控制信号P_CLK施加于开关202来在接通和关断开关202之间切换，在光子在短时间内连续地进入APD的情况下，光子也可以被确定为信号。将参照图5来描述其中控制信号P_CLK是按重复周期输出的脉冲信号的例子。换句话说，将参照图5来描述其中开关202的开/关被按预定时钟频率切换的配置。尽管如此，即使脉冲信号不是按重复周期输出的信号，也可以获得抑制光电转换装置的功耗增加的效果。

计数器电路211对从波形成形单元210输出的脉冲信号的数量进行计数，并且存储计数值。当控制脉冲pRES经由驱动线213供应时，存储在计数器电路211中的脉冲信号的数量被重置。

控制脉冲pSEL经由图4A和图4B中例示说明的驱动线214(未在图3中例示说明)从图3中例示说明的垂直扫描电路单元110供应给选择电路212，并且计数器电路211和信号线113之间的电连接和断开被切换。选择电路212包括例如用于输出信号的缓冲器电路。图4A和图4B中例示说明的输出信号OUT是从像素输出的信号。

电连接可以通过在开关202和APD 201之间或者在光电转换元件102和信号处理电路103之间布置开关(诸如晶体管)来切换。类似地，将被供应给光电转换元件102的驱动电压VH或驱动电压VL的供应可以使用开关(诸如晶体管)来电切换。

在本示例性实施例中，使用计数器电路211的配置已经被描述。尽管如此，光电转换装置100可以通过使用时间到数字转换器(在下文中，TDC)和存储器代替计数器电路211来获取脉冲检测定时。此时，从波形成形单元210输出的脉冲信号的产生定时被TDC转换为数字信号。为了测量脉冲信号的定时，控制脉冲pREF(参考信号)经由驱动线从图1中例示说明的垂直扫描电路单元110供应给TDC。基于控制脉冲pREF，TDC获取数字信号，该数字信号指示经由波形成形单元210从每个像素输出的信号的输入定时，作为相对时间。

如图4B中例示说明的，可以为每个像素提供信号产生单元215。在图4B中，图4A中例示说明的波形成形单元210、波形成形单元210后面的电路以及信号产生单元的图示被省略。图4A中的信号产生单元215被假定为对于每个像素都提供。在图4B中，在像素中提供逻辑电路，并且确定是否向开关202供应脉冲信号。用于控制曝光时间段的信号P_EXP、以及用于控制控制信号P_CLK的输入信号P_CLK_IN被输入到逻辑电路。然后，反向信号被输出。例如，在用于控制曝光时间段的信号P_EXP为低电平、输入信号P_CLK_IN为低电平的情况下，高电平信号被作为控制信号P_CLK输出。换句话说，开关被关断。在用于控制曝光时间段的信号P_EXP为高电平、输入信号P_CLK_IN为高电平的情况下，低电平信号被作为控制信号P_CLK输出。换句话说，开关被接通。另外，在用于控制曝光时间段的信号P_EXP和输入信号P_CLK_IN中的一个为低电平的情况下，高电平信号被作为控制信号P_CLK输出。换句话说，开关被关断。以这种方式，可取的是对每个像素控制开关。在图4B中例示说明的电路被使用的情况下，如下面在第二示例性实施例中描述的，如果曝光时间段P变为低电平，则控制信号P_CLK保持在高电平。换句话说，开关被关断。

图5是示意性地例示说明开关的控制信号P_CLK、节点A处的电位、节点B处的电位和输出信号之间的关系的示图。在本示例性实施例中，在控制信号P_CLK为高电平的情况下，驱动电压VH变得不太可能被供应给APD，在控制信号P_CLK为低电平的情况下，驱动电压VH被供应给APD。控制信号P_CLK的高电平例如为1V，控制信号P_CLK的低电平例如为0V。在控制信号P_CLK为高电平的情况下，开关被关断，在控制信号P_CLK为低电平的情况下，开关被接通。在控制信号P_CLK为高电平的情况下设置的开关的电阻值变得高于在控制信号P_CLK为低电平的情况下设置的开关的电阻值。在控制信号P_CLK为高电平的情况下，因为即使雪崩倍增在APD中发生，再充电操作也不太可能被执行，所以将被供应给APD的电位变为等于或小于APD的击穿电压的电位。因此，APD中的雪崩倍增操作停止。

如图4A和图4B中例示说明的，可取的是开关202包括一个晶体管，并且使用一个晶体管来执行猝熄操作和再充电操作。关于该配置，与使用不同的电路元件来执行猝熄操作和再充电操作的情况相比，可以减少电路的数量。特别是在每个像素包括计数器电路、并且SPAD的信号对于每个像素被读出的情况下，为了布置计数器电路，可取的是缩小用于开关的电路面积，并且通过包括一个晶体管的开关202获得的效果变得更加突出。

在时间t1，控制信号P_CLK从高电平变为低电平，开关被接通，APD的再充电操作开始。APD的阴极处的电位从而转变为高电平。然后，将被施加于APD的阳极和阴极的电位之间的电位差变为雪崩倍增可以发生的状态。阴极处的电位与节点A处的电位相同。因此，当阴极处的电位从低电平转变为高电平时，在时间t2，节点A处的电位变得等于或大于确定阈值。此时，从节点B输出的脉冲信号从高电平反转到低电平。此后，与(驱动电压VH-驱动电压VL)相对应的电位差被施加于APD 201。控制信号P_CLK变为高电平，开关被关断。

接着，如果光子在时间t3进入APD 201，则雪崩倍增在APD 201中发生，雪崩倍增电流流到开关202，阴极处的电压下降。换句话说，节点A处的电压下降。如果压降量进一步增大，并且施加于APD 201的电位差变小，则APD 201的雪崩倍增在时间t2停止，节点A处的电压电平停止从某个固定值下降。如果在节点A处的电压正在下降时，节点A处的电压变为低于确定阈值，则节点B处的电压从低电平变为高电平。换句话说，节点A处的具有超过确定阈值的输出波形的部分经受波形成形单元210执行的波形成形，并且在节点B处被作为信号输出。然后，所述信号被计数器电路计数，将从计数器电路输出的被计数信号的计数值增加1个最低有效位(LSB)。

光子在时间t3和t4之间的时间段期间进入APD，但是开关处于关断状态，施加于APD 201的施加电压不具有雪崩倍增可以发生的电位差。因此，节点A处的电压电平不会超过确定阈值。

在时间t4，控制信号P_CLK从高电平变为低电平，开关被接通。补偿从驱动电压VL起的压降的电流因此流到节点A，节点A处的电压转变为原始的电压电平。此时，因为节点A处的电压在时间t5变得等于或大于确定阈值，所以节点B处的脉冲信号从高电平反转到低电平。

在时间t6，节点A处的电压电平在统计上稳定在原始的电压电平，控制信号P_CLK从低电平变为高电平。因此，开关被关断。随后，每个节点和信号线处的电位也根据控制信号P_CLK和光子进入而改变，如使用时间t1到t6描述的那样。

在下文中，将描述根据每个示例性实施例的光电转换装置。

<第一示例性实施例>

图6A至图6C是例示说明根据第一示例性实施例的曝光时间段P和控制信号P_CLK之间的关系的时序图。图6A是例示说明在曝光时间段为曝光时间段P1的情况下输出的控制信号P_CLK的脉冲信号的示图。图6B是例示说明在曝光时间段为长于曝光时间段P1的曝光时间段P2的情况下输出的控制信号P_CLK的脉冲信号的示图。图6C是例示说明在曝光时间段为长于曝光时间段P2的曝光时间段P3的情况下输出的控制信号P_CLK的脉冲信号的示图。

在本示例性实施例中，曝光时间段P是指例如在其期间机械快门或电子快门被打开的时间段，非曝光时间段是指例如在其期间机械快门或电子快门被关闭的时间段。另外，曝光时间段P可以通过以下方式来限定，即，通过调整将被施加于APD 201的偏压来改变光子信号是否可以被获取。曝光时间段P是指在其期间APD 201处于可操作状态、APD和信号处理电路处于信号可读状态的时间段。这里，APD和信号处理电路处于信号可读状态的状态是指雪崩倍增可以在APD中发生的状态。也可以说计数器电路在所述时间段期间正在操作。此时，用于APD的猝熄操作(这是开关基于光子进入被关断的状态)的时间段构成可操作状态的一部分。另一方面，在其期间光被快门遮挡的时间段、以及在其期间APD被以雪崩倍增不会发生的方式控制的时间段，不管光子是否进入，都变为非曝光时间段。

如图6A至图6C中例示说明的，在本示例性实施例中，根据曝光时间段P来改变控制信号P_CLK的脉冲信号。采取第一曝光时间段和第二曝光时间段，第二曝光时间段是不同于第一曝光时间段的时间段。控制信号被以这样的方式控制，即，通过将第一曝光时间段内的控制信号P_CLK的数量除以第一曝光时间段并且将除得的值乘以第一曝光时间段而获得的值、与通过将第二曝光时间段内的控制信号P_CLK的数量除以第二曝光时间段并且将除得的值乘以第一曝光时间段而获得的值变为不同的值。在本示例性实施例中，因为开关202为PMOS晶体管，所以控制信号P_CLK的数量是指预定的曝光时间段内的被关断脉冲的数量。

另外，控制信号P_CLK被以这样的方式控制，即，第一曝光时间段内的控制信号P_CLK的平均频率与不同于第一曝光时间段的第二曝光时间段内的控制信号P_CLK的平均频率在每一单位时间进行比较时变得不同。这里，曝光时间段内的控制信号P_CLK的平均频率是指通过均匀地对曝光时间段内的脉冲信号进行平均而获得的频率。例如，在脉冲信号密集地布置在曝光时间段的前一半中、并且没有脉冲信号布置在后一半中的情况下，以脉冲信号平均地布置在整个时间段上的方式调整后的频率是指曝光时间段内的控制信号P_CLK的平均频率。于是，在本示例性实施例中，控制信号P_CLK被以这样的方式控制，即，第一曝光时间段内的平均频率和第二曝光时间段内的平均频率在平均频率在第一曝光时间段和第二曝光时间段之间被比较的情况下变得不同。单位时间是指在其期间输出控制信号P_CLK的至少两个脉冲信号的时间。

在图6A至图6C中，控制信号P_CLK的脉冲信号被以这样的方式控制，即，即使曝光时间段P改变，曝光时间段P内的脉冲信号的脉冲的数量也是相同的。图6A中例示说明的曝光时间段P1内的控制信号P_CLK的脉冲的数量被设置为N。同样地在图6B中例示说明的曝光时间段P2内，控制信号P_CLK的脉冲的数量被设置为N。此外，同样地在图6C中例示说明的曝光时间段P3内，控制信号P_CLK的脉冲的数量被设置为N。

关于上述配置，可以防止在每个像素中产生的功耗增加。另外，在信号处理单元包括计数器电路的情况下，执行保持适当的计数上限的时钟驱动变为可能。

在下文中，将在与图7A至图7C中的比较配置进行比较的同时，给出详细描述。图7A至图7C是时序图，每个时序图都例示说明根据比较配置的曝光时间段P和控制信号P_CLK之间的关系。在图7A至图7C中，与图6A至图6C中的那些组件类似的组件被分配与图6A至图6C中的那些标号相同的编号，并且它们的描述将被省略。

在图7A至图7C中例示说明的比较配置中，即使曝光时间段改变，控制信号P_CLK的周期也是相同的。在本示例性实施例中，因为开关202为PMOS晶体管，所以控制信号P_CLK的周期是指从脉冲的下降沿到下一个下降沿的时间段。例如，在曝光时间段为曝光时间段P1的情况以及曝光时间段为曝光时间段P2的情况这两种情况下，控制信号P_CLK的周期是相同的。因此，在比较配置中，如果曝光时间段P改变，则曝光时间段P内的脉冲信号的脉冲的数量改变。在该配置中，取决于曝光时间段，功耗可能非主动地增加。即使时钟频率在随后的信号处理电路中提高，结果也不被反映，并且可能消耗不必要的功率。例如，在信号处理电路是计数器电路的情况下，大于可读的计数器上限的值处的时钟频率不被作为信号读出。也就是说，在大于计数器上限的值处，即使通过执行猝熄操作和再充电操作来读出信号，计数值也不被添加在计数器电路中。因此，在大于计数器上限的值处，产生不必要的功耗。如果时钟频率提高得太多，则可读的光子的数量变少，并且动态范围可能缩小。

与此不同地，如上所述，通过根据曝光时间段来控制控制信号P_CLK的脉冲信号的脉冲的数量，可以减小不必要的功耗。

如图6A至图6C中例示说明的，控制信号P_CLK的周期根据曝光时间段而改变。例如，曝光时间段P1内的控制信号P_CLK的周期短于曝光时间段P2内的控制信号P_CLK的周期。以这种方式，在图6A至图6C中，即使曝光时间段像曝光时间段P1、曝光时间段P2和曝光时间段P3那样改变，控制信号P_CLK的脉冲的数量也被控制为总是为N。关于该配置，可以减小功耗增加。

曝光时间段内的脉冲的数量可以被设置为任意的值。在随后的信号处理电路是计数器电路的情况下，脉冲的数量可取地被设置为计数器电路的计数上限。关于该配置，可以在防止动态范围缩小的同时防止不必要的功耗的产生。

曝光时间段P1内的第一脉宽和曝光时间段P2内的第一脉宽可取地是相同的。这里，第一脉宽是指在其期间开关202根据控制信号P_CLK被接通的时间段。在本示例性实施例中，因为开关202是PMOS晶体管，所以第一脉宽是指在其期间控制信号P_CLK为低电平(第一电平)的时间段。如上所述，在其期间控制信号P_CLK为高电平(第二电平)的时间段是在其期间开关被关断、并且再充电不太可能在APD中被执行的时间段。在本说明书中，在其期间控制信号P_CLK保持低第一电平状态的时间段将被描述为“第一脉宽”，在其期间控制信号P_CLK保持第二电平状态的时间段将被描述为“第二脉宽”。在图6A至图6C中，曝光时间段P1内的第一脉宽和曝光时间段P2内的第一脉宽是相同的，但是曝光时间段P1内的第二脉宽和曝光时间段P2内的第二脉宽是不同的。

不同地，在其期间控制信号P_CLK为低电平的时间段是在其期间开关被接通、并且再充电操作在APD中被执行的时间段。如果控制信号P_CLK为低电平的时间段变长，则再充电操作可能被执行多次。如参照图5所描述的，在节点A处的电位低于确定阈值的状态下，节点A处的电位下降，节点B处的信号不被反转，并且信号可能无法被适当地作为信号值读出。因此，通过即使脉冲信号的周期改变，也将在其期间再充电操作在APD中被执行的时间段设置为固定时间段，再充电操作在控制信号P_CLK为低电平的时间段期间不被多次执行，并且不可检测的光子的数量可以减少。

图8例示说明根据本示例性实施例的光电转换装置的操作的流程图的例子。

在步骤S1中，设置曝光时间段和控制信号P_CLK的脉冲的数量。在这个例子中，设置控制信号P_CLK的时钟频率。在步骤S2中，开始图像捕捉。在步骤S3中，确定是否改变曝光时间段。可以基于从先前捕捉的图像的信息(前帧信息)来确定是否改变曝光时间段。在前帧信息中，在从图像获得的信息太亮的情况下，缩短曝光时间段，在从图像获得的信息太暗的情况下，延长曝光时间段。除此之外，可以手动地或自动地切换曝光时间段。

在步骤S3中确定曝光时间段将被改变的情况下，在步骤S4中，确定是否延长曝光时间段的设置。在步骤S3中确定曝光时间段将被改变的情况下，处理继续进行到S4。在步骤3中确定曝光时间段将不被改变的情况下，处理继续进行到步骤S。

在步骤S4中确定曝光时间段的设置将被延长的情况下，在步骤S5中，降低曝光时间段内的控制信号P_CLK的平均时钟频率。此时，控制被以这样的方式执行，即，曝光时间段内的控制信号P_CLK的脉冲的数量在曝光时间段被改变之后与未被改变的曝光时间段内的控制信号P_CLK的脉冲的数量相比保持不变。在步骤S4中确定曝光时间段的设置将不被延长(将被缩短)的情况下，在步骤S6中，将曝光时间段内的控制信号P_CLK的平均时钟频率设置为更高的平均时钟频率。同样地在这种情况下，控制被以这样的方式执行，即，曝光时间段内的控制信号P_CLK的脉冲的数量与未被改变的曝光时间段内的控制信号P_CLK的脉冲的数量相比保持不变。

在步骤S5或S6后，处理继续进行到步骤S7，并且确定是否结束图像捕捉。在步骤S7中确定曝光时间段将被结束的情况下，在步骤S8中，结束图像捕捉。在步骤S7中确定图像捕捉将不被结束的情况下，处理返回到步骤S3，并且步骤S3至S7中的处理被重复。然后，如果在步骤S7中确定图像捕捉将被结束，则在步骤S8中，结束图像捕捉。

可以根据上述流程图来执行操作。

图9A至图9F例示说明时序图的修改例子。在图6A至图6C中，按固定的周期输入脉冲信号P_CLK，但是配置不限于此。如图9A至图9C中例示说明的，可以在改变脉冲周期时输入脉冲信号P_CLK。在图9A至图9C中，对每个脉冲信号改变周期，但是可以对每三个或每四个或每更多个脉冲信号改变周期。

另外，如图9D至图9F中例示说明的，在与曝光时间段P1相同的时间段内，曝光时间段P2内的脉冲的数量和曝光时间段P3内的脉冲的数量可以是与曝光时间段P1内的脉冲的数量相同数量的脉冲。更具体地说，可以采用如下配置，其中控制信号P_CLK在曝光时间段P2的前一半内被连续地供应给开关、并且控制信号P_CLK在曝光时间段P2的后一半内不被供应。同样地在这种情况下，如果曝光时间段P2内的脉冲的数量和曝光时间段P1内的脉冲的数量是相同的，则可以获得本示例性实施例的效果。类似地，如果曝光时间段P3内的脉冲的数量和曝光时间段P1内的脉冲的数量是相同的，则可以获得本示例性实施例的效果。

<第二示例性实施例>

图10A至图10C是时序图，每个时序图都例示说明根据第二示例性实施例的曝光时间段P和控制信号P_CLK之间的关系。图10A是例示说明在曝光时间段为曝光时间段P1的情况下输出的控制信号P_CLK的脉冲的示图。图10B是例示说明在曝光时间段为长于曝光时间段P1的曝光时间段P2的情况下输出的控制信号P_CLK的脉冲信号的示图。图10C是例示说明在曝光时间段为长于曝光时间段P2的曝光时间段P3的情况下输出的控制信号P_CLK的脉冲信号的示图。

根据本示例性实施例的光电转换装置与第一示例性实施例的不同之处在于光电转换装置在曝光时间段变为非曝光时间段的定时停止产生控制信号P_CLK的脉冲信号。因为除了这一点和下面将描述的要点之外，本示例性实施例基本上类似于第一示例性实施例，所以与第一示例性实施例中的那些组件类似的组件被分配相同的标号，并且它们的描述有时将被省略。

在本示例性实施例中，在曝光时间段的结束定时，控制信号P_CLK停止在低电平。也就是说，开关保持处于断开状态。然后，在曝光时间段的开始定时，控制信号P_CLK的电平变为高电平。

因为在非曝光时间段期间，没有光子进入APD，所以变得没有必要控制开关的开/关。因此，通过避免改变用于控制开关的开/关的控制信号P_CLK，可以抑制由于接通/关断开关而产生的功耗。

曝光时间段的结束定时可以与快门同步控制。

另外，如图10A至图10C中例示说明的，对于降低功耗可取的是与曝光时间段的结束定时同步地停止控制信号P_CLK的脉冲信号，但是停止定时可以与曝光时间段的结束定时略有偏移。

根据本示例性实施例，类似于第一示例性实施例，可以抑制功耗增加。另外，因为开关被接通/关断的次数与第一示例性实施例相比可以减少，所以可以进一步抑制光电转换装置的功耗。

<第三示例性实施例>

将参照图11至图15来描述在根据第一示例性实施例或第二示例性实施例的光电转换装置中获得的计数值Nct的校正。

图11是例示说明光电转换装置的每个像素中的入射光子的数量Nph和计数值Nct之间的关系的示图。这里，入射光子的数量Nph是每一曝光时间段T实际上进入每个像素的光子的数量(入射光子的数量)。另外，计数值Nct是被计数器电路211计数的从波形成形单元210输出的脉冲信号的计数值。这里，当控制信号P_CLK的频率用f表示时，曝光时间段T内的控制信号P_CLK的脉冲的数量等于f×T。

在基于周期脉冲控制每个像素的开关202的情况下，每个像素的计数值Nct表现出如图11中的曲线A所指示的性质。更具体地说，计数值Nct根据入射光子的数量Nph的增加而增大，并且被计数一直到脉冲数量f×T的上限。因为对于控制信号P_CLK的一个脉冲，执行一次再充电操作，所以对于控制信号P_CLK的一个周期可以计数的光子的数量仅为一个。因此，在控制信号P_CLK的一个周期、多个光子进入的情况下，每个周期中的第二个光子和随后的光子不被计数。因此，在高照度环境下，即使光子进入像素也不被计数的光子的数量增加，并且在计数值Nct和实际入射光子的数量Nph之间出现差异。

鉴于前述，在本示例性实施例，执行将计数值Nct转换为等于实际入射光子的数量Nph的值的校正。校正由与电路基板21连接的校正电路118执行。校正电路118可以被提供在光电转换单元100的外部，如图12中例示说明的，或者可以被提供在光电转换单元100的内部(例如，信号处理电路103)。如图12中例示说明的，外部输出电路119也被提供。计数值Nct和入射光子的数量Nph之间的关系用基于自然对数的以下方程表示。

Nct＝f×T×(1-exp(-Nph/(f×T))) (1)

换句话说，在校正电路118中，当计数值Nct、脉冲信号的频率f和曝光时间段的长度T被认为是解释变量、入射光子的数量Nph被认为是目标变量时，解释变量和目标变量用基于自然对数的关系表达式表示。

校正的计数值Nct可以用图11中的虚线B指示。通过执行校正，相对于入射光子的数量表现出非线性性质的曲线A指示的计数值可以被校正为相对于入射光子的数量具有线性度的虚线B指示的计数值。

这里，因为校正公式是基于f×T的值确定的，所以即使对于控制信号P_CLK的不同频率中的每个频率定义曝光时间段T的值，只要频率f和曝光时间段T的组合是保持f×T恒定的组合，相对于入射光子的数量Nph的计数值Nct的值就不会改变。

另外，在控制信号P_CLK的两种类型的频率混合地存在于一个曝光时间段期间的情况下，可以通过以下方程来校正计数值Nct。Nct＝f₁×T₁×(1-exp(-Nph₁/(f₁×T₁)))+f₂×T₂×(1-exp(-Nph₂/(f₂×T₂)))(2)

此时，T₁表示在其期间脉冲信号以第一频率f₁操作的时间段，T₂表示在其期间脉冲信号以第二频率f₂操作的时间段，T₁+T₂对应于曝光时间段T。另外，Nph₁表示时间段T₁内的入射光子的数量，Nph₂表示时间段T₂内的入射光子的数量。入射光子的数量Nph₁和Nph₂可以用以下方程表示。

Nph₁＝Nph×T₁/(T₁+T₂) (3)

Nph₂＝Nph×T₂/(T₁+T₂) (4)

以这种方式，入射光子的数量由每个频率处的曝光时间段相对于总曝光时间段T的比率确定。

这里，如图13A和图13B中例示说明的，将考虑多个频率混合地存在于曝光时间段内的情况。例如，如图13A中例示说明的，脉冲信号可以被以这样的方式对于每个频率共同地输入，即，在曝光时间段的前一半内输入的脉冲信号的频率为频率f₁，在曝光时间段的后一半内输入的脉冲信号的频率为频率f₂。另外，如图13B中例示说明的，不同频率的两个脉冲可以交替地继续。对于每对脉冲信号，频率f₁的脉冲信号和频率f₂的脉冲信号可以交替地继续。图13A和图13B例示说明两种类型的频率的脉冲信号混合地存在于曝光时间段内，但是三种或更多种类型的频率的脉冲信号可以混合地存在。

以这种方式，通过混合地存在于曝光时间段内的多种类型的频率的脉冲信号，与只有低频脉冲信号被输入的情况相比，高照度下的计数值的斜率变大。因此，即使在高照度下，计数值的梯度性质也保持不变，并且动态范围与脉冲信号的频率的类型的数量为一种的情况相比也可以扩大。

此外，在控制信号P_CLK的n种类型的频率混合地存在于曝光时间段内的情况下，校正方程用以下方程表示，其中n为等于或大于2的自然数。

Nct＝f₁×T₁×(1-exp(-Nph₁/(f₁×T₁)))+f₂×T₂×(1-exp(Nph₂/(f₂×T₂)))+…+f_n-1×T_n-1×(1-exp(Nph_n-1/(f_n-1×T_n-1)))+f_n×T_n×(1-exp(Nph_n/(f_n×T_n))) (5)

多个频率的脉冲信号被输入的时间段的和等于曝光时间段T。另外，多个频率的脉冲信号被输入的时间段期间的入射光子的数量用以下方程表示。

Nph₁＝Nph×T₁/(T₁+T₂+…+T_n-1+T_n) (6)

Nph₂＝Nph×T₂/(T₁+T₂+…+T_n-1+T_n) (7)

Nph_n-1＝Nph×T_n-1/(T₁+T₂+…+T_n-1+T_n) (8)

Nph_n＝Nph×T_n/(T₁+T₂+…+T_n-1+T_n) (9)

入射光子的数量由每个频率处的曝光时间段相对于总曝光时间段T的比率确定。

校正电路118执行的校正不限于在合适时对每个计数值执行上述方程所表示的校正的情况。例如，校正电路118可以包括三维表，该表定义曝光时间段T、脉冲信号的频率f和计数值Nct的值的组合。通过从校正电路118中包括的表中的数值选择最接近测量值的值，入射光子的数量Nph可以被粗略地估计。此时，表中的数值是通过类似于上述方程的、基于与频率f和曝光时间段T的组合相对应的自然对数的关系表达式设置的。

计数值的校正不限于此。通过校正电路118与该校正同步地执行其他类型的校正，可以减少校正步骤的数量。例如，可以在为在显示器上的显示做准备时，执行基于计数值调整所形成的图像的明亮度的所谓的伽玛校正。

<第四示例性实施例>

图14是例示说明根据本示例性实施例的光学检测系统1200的配置的框图。根据本示例性实施例的光学检测系统1200包括光电转换装置1204。这里，上述示例性实施例中描述的光电转换装置中的任何一个都可以被作为光电转换装置1204应用。光电检测系统1200可以被用作例如图像捕捉系统。图像捕捉系统的特定的例子包括数码静态相机、数码摄像机和监视相机。图14例示说明其中数码静态相机被用作光学检测系统1200的例子。

图1中例示说明的光学检测系统1200包括光电转换装置1204、透镜1202、光圈1203和屏障1201，透镜1202在光电转换装置1204上形成被摄体的光学图像，光圈1203用于改变通过透镜1202的光量，屏障1201用于保护透镜1202。透镜1202和光圈1203用作使光会聚到光电转换装置1204上的光学系统。快门被布置在光圈1203和光电转换装置1204之间。通过打开和关闭快门，光电转换装置的曝光时间段被控制。

光学检测系统1200进一步包括信号处理单元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各种类型的校正和压缩之后，执行输出输入信号的信号处理的操作。光学检测系统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，缓冲存储器单元1206用于暂时存储图像数据，外部接口单元1209用于与外部计算机等进行通信。光学检测系统1200进一步包括记录介质1211(诸如半导体存储器)和记录介质控制接口单元(记录介质控制I/F单元)1210，记录介质1211用于记录或读出捕捉的图像数据，记录介质控制接口单元1210用于执行记录介质1211上的记录或从记录介质1211的读出。记录介质1211可以被构建到光学检测系统1200中，或者可以可拆卸地附连到光学检测系统1200。另外，从记录介质控制I/F单元1210与记录介质1211的通信和从外部I/F单元1209的通信可以被无线地执行。

光学检测系统1200进一步包括总控制/计算单元1208和定时信号产生单元1207，总控制/计算单元1208执行各种类型的计算，并且控制整个数码静态相机，定时信号产生单元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。这里，定时信号等可以从外部输入。光学检测系统1200只需要至少包括光电转换装置1204和信号处理单元1205，信号处理单元1205对从光电转换装置1204输出的输出信号进行处理。如第四示例性实施例中所描述的，定时信号产生单元1207可以被安装在光电转换装置上。总控制/计算单元1208和定时信号产生单元1207可以被配置为执行光电转换装置1204的控制功能中的一部分或全部。

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在对从光电转换装置1204输出的图像信号执行预定的信号处理之后，输出图像数据。信号处理单元1205使用图像信号来产生图像。另外，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和定时信号产生单元1207可以被安装在光电转换装置上。也就是说，信号处理单元1205和定时信号产生单元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。通过使用根据上述示例性实施例中的每个的光电转换装置来形成图像捕捉系统，可以实现可以获取更高质量的图像的图像捕捉系统。

<第五示例性实施例>

图15是例示说明距离图像传感器的配置例子的框图，所述距离图像传感器是使用上述示例性实施例中描述的光电转换装置的电子设备。

如图15中例示说明的，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。然后，距离图像传感器401可以通过接收已经从光源装置409朝向被摄体投射并且被反射在被摄体的前表面上的光(调制光或脉冲光)来获取与到被摄体的距离相对应的距离图像。

光学系统407包括一个或多个透镜，并且通过将来自被摄体的图像光(入射光)引导到光电转换装置408上来在光电转换装置408的光接收表面(传感器部分)上形成图像。

根据以上示例性实施例中的任何一个的光电转换装置被作为光电转换装置408应用，并且从自光电转换装置408输出的光接收信号获得的指示距离的距离信号被供应给图像处理电路404。

图像处理电路404基于从光电转换装置408供应的距离信号来执行构造距离图像的图像处理。然后，通过图像处理获得的距离图像(图像数据)被供应给监视器405，并且被显示在其上，或者被供应给存储器406并且被存储(记录)在其中。

通过应用上述光电转换装置，具有上述配置的距离图像传感器401可以例如根据像素的特性增强来获取更准确的距离图像。

<第六示例性实施例>

根据本公开的技术可以被应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以被应用于内窥镜操作系统。

图16是例示说明根据本公开的技术(本技术)可以被应用于的内窥镜操作系统的示意性配置的例子的示图。

图16例示说明操作者(医生)1131正在使用内窥镜操作系统1003对躺在病床1133上的患者1132执行手术的状态。如图16中例示说明的，内窥镜操作系统1003包括内窥镜1100、外科工具1110和手推车1134，手推车1134配备有用于内窥镜操作的各种装置。

内窥镜1100包括透镜镜筒1101和相机头1102，透镜镜筒1101具有将被插入到患者1132的体腔中从远端起预定长度的区域，相机头1102连接到透镜镜筒1101的近端。在图16中例示说明的例子中，例示说明了被形成为包括刚性的透镜镜筒1100的所谓的刚性观测仪器的内窥镜1100，但是内窥镜1100可以被形成为包括柔性的透镜镜筒的所谓的柔性观测仪器。

物镜被装配到其中的开口部分被提供在透镜镜筒1101的远端。光源装置1203连接到内窥镜1100，光源装置1203产生的光通过在透镜镜筒1101内部延伸的光导向件被引导到透镜镜筒1101的远端，并且经由物镜被发射到患者1132的体腔中的观察目标上。内窥镜1100可以是直视内窥镜，或者可以是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的内部。来自观察目标的反射光(观察光)被光学系统会聚到光电转换装置。观察光被光电转换装置进行光电转换，并且产生与观察光相对应的电信号，即，与观察的图像相对应的图像信号。根据以上示例性实施例中的任何一个的光电转换装置可以被用作该光电转换装置。图像信号被作为原始数据发送给相机控制单元(CCU)1135。

CCU 1135包括中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)，并且全面地控制内窥镜1100和显示设备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用于显示基于图像信号的图像的各种类型的图像处理，诸如，举例来说，显影处理(去马赛克处理)。

基于来自CCU 1135的控制，显示设备1136显示基于CCU 1135已经对其执行图像处理的图像信号的图像。

光源装置1203包括光源，诸如，举例来说，发光二极管(LED)，并且将用于捕捉手术部位的图像的辐射光供应给内窥镜1100。

输入装置1137是用于内窥镜操作系统1003的输入接口。用户可以经由输入装置1137将各种类型的信息和指令输入到内窥镜操作系统1003。

处理工具控制装置1138控制能量处理工具1112的驱动以用于烧灼或切割组织、或密封血管。

将用于捕捉操作部位的图像的辐射光供应给内窥镜1100的光源装置1203包括，例如，LED、激光光源、或包括这些的组合的白光源。在白光源包括RGB激光光源的组合的情况下，因为每种颜色(每个波长)的输出强度和输出定时可以被更准确地控制，所以捕捉的图像的白平衡可以在光源装置1203中被调整。另外，在这种情况下，通过以时分方式将来自每个RGB激光光源的激光发射到观察目标上、并且与发射定时同步地控制相机头1102的图像传感器的驱动，与RGB中的每个相对应的图像也可以被以时分方式捕捉。根据所述方法，可以在图像传感器中不提供滤色器的情况下获得彩色图像。

另外，光源装置1203的驱动可以被以每一预定时间改变将被输出的光的强度的这样的方式控制。通过利用与光强度的改变定时同步地控制相机头1102的图像传感器的驱动来以时分方式获取图像、并且组合图像，可以产生没有所谓的曝光不足和曝光过度的高动态范围图像。

光源装置1203可以被配置为供应适于特定的光观察的预定波长带中的光。在特殊光观察中，例如，身体组织中的光吸收的波长依赖性被利用。具体地说，通过发射与普通的观察中的辐射光(即，白光)相比更窄的带中的光，预定组织(诸如粘膜的浅表部分中的血管)的图像被以高对比度捕捉。可替代地，在特殊光观察中，可以执行用通过发射激励光而产生的荧光获得图像的荧光观察。在荧光观察中，可以通过将激励光发射到身体组织上来观察来自身体组织的荧光，或者可以通过将试剂(诸如吲哚菁绿(ICG))局部地注射到身体组织中、并且将与试剂的荧光波长相对应的激励光发射到身体组织上来获得荧光图像。光源装置1203可以被配置为供应适于这样的特殊光观察的窄带光和/或激励光。

<第七示例性实施例>

将参照图17A、图17B和图18来描述根据本示例性实施例的光学检测系统和可移动体。图17A和图17B是例示说明根据本示例性实施例的光学检测系统和可移动体的配置例子的示意图。图18是例示说明根据本示例性实施例的光学检测系统的操作的流程图。在本示例性实施例中，车内相机将被描述为光学检测系统的例子。

图17A和图17B例示说明车辆系统和安装在车辆系统中的执行图像捕捉的光学检测系统的例子。光学检测系统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将已经通过光学系统1314形成的被摄体的光学图像转换为电信号。光电转换装置1302是上述每个示例性实施例中的任何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的功能可以被合并到光电转换装置1302中。在光学检测系统1301中，提供至少两组，每组包括光学系统1314、光电转换装置1302和图像预处理单元1315，并且每组的图像预处理单元1315的输出被输入到集成电路1303。

集成电路1303是意图用于图像捕捉系统的集成电路，并且包括具有存储器1305的图像处理单元1304、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对图像预处理单元1315的输出信号执行图像处理，诸如显影处理和缺陷校正。存储器1305是捕捉的图像的主要储存器，并且存储图像捕捉像素的缺陷位置。光学距离测量单元1306执行被摄体的聚焦和距离测量。距离测量计算单元1307从通过多个光电转换装置1302获取的多条图像数据计算距离测量信息。物体识别单元1308识别被摄体，诸如车辆、道路、标志或人。如果异常检测单元1309检测到光电转换装置1302的异常，则异常检测单元1309将指示异常的警报发给主控制单元1313。

集成电路1303可以通过专门设计的硬件来实现，可以通过软件模块来实现，或者可以通过这些的组合来实现。另外，集成电路1303可以通过现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实现，或者可以通过这些的组合来实现。

主控制单元1313全面地控制光学检测系统1301、车辆传感器1310、控制单元1320等的操作。如下的方法也可以被采用，在该方法中，不包括主控制单元1313，并且光学检测系统1301、车辆传感器1310和控制单元1320各自包括通信接口，光学检测系统1301、车辆传感器1310和控制单元1320经由通信网络(例如，控制器区域网络(CAN)标准)各自执行控制信号的发送和接收。

集成电路1303具有通过自己的控制单元从主控制单元1313接收控制信号、或者将控制信号和设置值发送给光电转换装置1302的功能。

光学检测系统1301连接到车辆传感器1310，并且可以检测自有车辆运行状态(诸如车速、偏航率或转向角)和自有车辆外部环境、以及其他车辆和障碍物的状态。车辆传感器1310还用作距离信息获取单元，获取指示到目标物体的距离的距离信息。光学检测系统1301还连接到驾驶支持控制单元1311，驾驶支持控制单元1311执行各种类型的驾驶支持，诸如自动转向、自动绕行和防撞功能。具体地说，关于碰撞确定功能，基于光学检测系统1301和车辆传感器1310的检测结果，估计和确定与另一车辆或障碍物的碰撞。关于该配置，在碰撞被估计的情况下，执行避免控制，并且当碰撞发生时，启动安全设备。

光学检测系统1301还连接到警报装置1312，警报装置1312基于通过碰撞确定单元获得的确定结果来向驾驶者发出警报。例如，在通过碰撞确定单元获得的确定结果指示高碰撞可能性的情况下，主控制单元1313通过制动、释放加速器或抑制引擎输出来执行用于避免碰撞或减小损害的车辆控制。警报装置1312通过使警报发声(诸如声音)、在汽车导航系统或仪表板的显示单元画面上显示警告信息、或者使座椅安全带或转向轮振动来向用户发出警报。

在本示例性实施例中，光学检测系统1301捕捉车辆的周边的图像，诸如，举例来说，前侧或后侧。图17B例示说明用于通过光学检测系统1301捕捉车辆前侧的图像的光学检测系统1301的布置例子。

两个光电转换装置1302被布置在车辆1300的前部中。具体地说，为了获取车辆1300和被摄目标物体之间的距离信息以及确定碰撞可能性，可取的是两个光电转换装置1302相对于与相对于车辆1300的行进方向或外部形式(例如，车辆宽度)的中心线相对应的对称轴线对称地布置。另外，光电转换装置1302可取地被以这样的方式布置，即，当驾驶者从驾驶者的座位视觉地检查车辆1300的外部情况时，不阻挡驾驶者的视场。警报装置1312可取地被以容易进入驾驶者的视场的方式布置。

接着，将参照图18来描述光学检测系统1301中的光电转换装置1302的故障检测操作。光电转换装置1302的故障检测操作是根据图18中例示说明的步骤S1410至S1480执行的。

步骤S1410是用于进行光电转换装置1302的启动设置的步骤。更具体地说，从光学检测系统1301的外部(例如，主控制单元1313)或光学检测系统1301的内部发送对于光电转换装置1302的操作的设置，并且开始光电转换装置1302的图像捕捉操作和故障检测操作。

随后，在步骤S1420中，从有效像素获取像素信号。另外，在步骤S1430中，获取为故障检测而提供的故障检测像素的输出值。故障检测像素类似于有效像素，包括光电转换元件。预定电压被写入到光电转换元件。故障检测像素输出与写入到光电转换元件中的电压相对应的信号。可以按相反的次序执行步骤S1420中的处理和S1430中的处理。

随后，在步骤S1440中，确定故障检测像素的预期输出值和故障检测像素的实际输出值是否相等。在作为步骤S1440中的相等确定的结果确定预期输出值和实际输出值相等的情况下，处理继续进行到步骤S1450。在步骤S1450中，确定图像捕捉操作正常被执行，处理继续进行到步骤S1460。在步骤S1460中，被扫描的行的像素信号被发送给存储器1305，并且被主要存储。此后，处理返回到步骤S1420，并且继续故障检测操作。另一方面，在作为步骤S1440中的相等确定的结果确定预期输出值和实际输出值不相等的情况下，处理继续进行到步骤S1470。在步骤S1470中，确定图像捕捉操作异常，并且向主控制单元1313或警报装置1312发出警报。警报装置1312在显示单元上显示异常已经被检测到。此后，在步骤S1480中，停止光电转换装置1302，并且结束光学检测系统1301的操作。

在本示例性实施例中，已经举例说明了对每行循环流程图的处理的例子，但是可以对每几行循环流程图的处理，或者可以对每帧执行故障检测操作。在步骤S147中发出的警报可以经由无线网络传送到车辆的外部。

另外，在本示例性实施例中，已经给出了以不与另一车辆碰撞的方式执行的控制的描述，但是光学检测系统1301也可以被应用于通过跟随另一车辆来执行自动操作的控制、或以不偏离车道的方式执行自动操作的控制。此外，除了诸如汽车的车辆之外，光学检测系统1301可以被应用于可移动体(移动装置)，诸如轮船、飞机或工业机器人。而且，除了可移动体之外，光学检测系统1301还可以被应用于广泛地使用物体识别的设备，诸如智能运输系统(ITS)。

根据本发明的示例性实施例的光电转换装置可以被配置为进一步获取各种类型的信息，诸如距离信息。

<第八示例性实施例>

图19A例示说明根据应用例子的眼镜1600(智能眼镜)。眼镜1600包括光电转换装置1602。光电转换装置1602是上述示例性实施例中的任何一个中描述的光电转换装置。包括发光设备(诸如有机发光二极管(OLED)或LED)的显示设备可以被提供在透镜1601的背面侧上。光电转换装置1602的数量可以是一个或多个。另外，多种类型的光电转换装置可以组合使用。光电转换装置1602的布置位置不限于图19A中例示说明的位置。

眼镜1600进一步包括控制装置1603。控制装置1603用作向光电转换装置1602和上述显示设备供应电力的电源。控制装置1603还控制光电转换装置1602和显示设备的操作。在透镜1601中，形成用于使光会聚到光电转换装置1602的光学系统。

图19B例示说明根据应用例子的眼镜1610(智能玻璃)。眼镜1610包括控制装置1612，控制装置1612配备有等同于光电转换装置1602的光电转换装置和显示设备。在透镜1611中，形成用于投射从控制装置1612中的光电转换装置和显示设备发射的光的光学系统，并且图像被投射到透镜1611上。控制装置1612用作向光电转换装置和显示设备供应电力的电源，并且控制光电转换装置和显示设备的操作。控制装置可以包括检测穿戴者的视线的视线检测单元。红外光可以被用于视线的检测。红外光发射单元将红外光发射到看着显示的图像的用户的眼球上。包括光接收元件的成像单元检测已经从眼球反射的发射的红外光的反射光。从而获得眼球的捕捉图像。通过将用于减少在平面图中从红外光发射单元到显示单元的光的减少单元包括，抑制图像质量的降低。

从通过使用红外光的图像捕捉获得的眼球的捕捉图像，检测用户对于显示的图像的视线。任意的已知方法都可以被应用于使用眼球的捕捉图像的视线检测。作为例子，可以使用基于通过辐射光在角膜上的反射而获得的普尔基涅(Purkinje)图像的视线检测方法。

更具体地说，执行基于瞳孔中心角膜反射的视线检测处理。通过使用瞳孔中心角膜反射，基于眼球的捕捉图像中包括的瞳孔的图像和普尔基涅图像来计算表示眼球的方向(旋转角度)的眼矢量，检测用户的视线。

本示例性实施例的显示设备可以包括具有光接收元件的光电转换装置，并且显示设备上的显示图像可以基于来自光电转换装置的用户的视线信息来控制。

具体地说，在显示设备中，基于视线信息来确定用户看到的第一视野区域和除了第一视野区域之外的第二视野区域。第一视野区域和第二视野区域可以由显示设备的控制装置确定，或者可以接收通过外部控制装置确定的第一视野区域和第二视野区域。在显示设备的显示区域中，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。换句话说，可以使第二视野区域的分辨率低于第一视野区域的分辨率。

另外，显示区域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。基于视线信息，可以从第一显示区域和第二显示区域确定具有高优先级的区域。第一视野区域和第二视野区域可以由显示设备的控制装置确定，或者可以接收通过外部控制装置确定的第一视野区域和第二视野区域。具有高优先级的区域的分辨率可以被控制为高于除了具有高优先级的区域之外的区域的分辨率。换句话说，具有相对较低优先级的区域的分辨率可以被设置为低分辨率。

人工智能(AI)可以被用于确定第一视野区域和具有高优先级的区域。AI可以是被配置为使用训练数据从眼球的图像估计视线的角度和到存在于视线的末端的目标物体的距离的模型，所述训练数据包括眼球的图像和该图像中的眼球实际上凝视的方向。AI程序可以包括在显示设备中，可以包括在光电转换装置中，或者可以包括在外部装置中。在外部装置包括AI程序的情况下，AI程序经由通信发送给显示设备。

在基于视觉检测执行了显示控制的情况下，本发明可以可取地被应用于进一步包括捕捉外部的图像的光电转换装置的智能眼镜。智能眼镜可以实时地显示通过图像捕捉获得的外部信息。

<其他示例性实施例>

此前，已经描述了示例性实施例，但是本发明不限于这些示例性实施例，并且可以做出各种改变和修改。另外，示例性实施例可以彼此应用。

本发明不限于以上实施例，并且可以在本发明的精神和范围内做出各种改变和修改。因此，为了向公众告知本发明的范围，做出以下权利要求书。

本申请要求2021年1月7日提交的日本专利申请No.2021-001441和2021年12月21日提交的日本专利申请No.2021-207158的优先权，这些申请特此通过引用并入本文。

Claims

1.一种光电转换装置，包括：

雪崩光电二极管，所述雪崩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所述阴极中的一个节点、以及将被施加驱动电压的电力线，并且被配置为在所述一个节点和所述电力线之间切换电阻值；以及

信号产生单元，所述信号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，

其中通过将第一曝光时间段内的脉冲信号的数量除以所述第一曝光时间段而获得的值与通过将第二曝光时间段内的脉冲信号的数量除以所述第二曝光时间段而获得的值是不同的，所述第二曝光时间段的长度不同于所述第一曝光时间段的长度。

2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中所述脉冲信号是按重复周期的信号。

3.根据权利要求1或2所述的光电转换装置，其中所述第一曝光时间段内的脉冲信号的数量和所述第二曝光时间段内的脉冲信号的数量是相同的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电转换装置，

其中所述第一曝光时间段短于所述第二曝光时间段，并且

其中所述第一曝光时间段内的脉冲信号的周期短于所述第二曝光时间段内的脉冲信号的周期。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电转换装置，其中所述第一曝光时间段内的脉冲信号在第一电平的第一脉宽和所述第二曝光时间段内的脉冲信号在第一电平的第一脉宽是相同的。

6.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中所述第一曝光时间段内的脉冲信号在第二电平的第二脉宽和所述第二曝光时间段内的脉冲信号在第二电平的第二脉宽是不同的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光电转换装置，其中所述开关用作猝熄元件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光电转换装置，

其中所述开关是金属-氧化物半导体(MOS)晶体管，

其中所述开关的一个节点连接到所述雪崩光电二极管的阴极，

其中所述开关的另一个节点连接到所述电力线，并且

其中所述脉冲信号被供应给所述开关的栅电极。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光电转换装置，进一步包括信号处理电路，所述信号处理电路包括波形成形单元和计数器电路，

其中所述波形成形单元连接到所述阳极和所述阴极中的一个节点，并且

其中从所述波形成形单元输出的信号被输入到所述计数器电路。

10.根据权利要求9所述的光电转换装置，其中所述第一曝光时间段内的脉冲信号的数量等于所述计数器电路的上限。

11.根据权利要求9或10所述的光电转换装置，进一步包括校正单元，

其中从所述计数器电路输出的计数值被输入到所述校正电路。

12.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中，在所述校正电路中，在所述计数值、所述第一曝光时间段内的脉冲信号的频率和所述第一曝光时间段的长度被认为是解释变量、并且入射光子的数量被认为是目标变量的情况下，所述解释变量和所述目标变量用基于自然对数的关系表达式表示。

13.根据权利要求11或12所述的光电转换装置，其中，响应于所述计数值的输入，所述校正电路输出满足以下方程的关系的入射光子的数量Nph：

Nct＝f×T×(1-exp(-Nph/(f×T)))，

其中所述计数值用Nct表示，所述入射光子的数量用Nph表示，所述第一曝光时间段内的脉冲信号的频率用f表示，并且所述第一曝光时间段用T表示。

14.根据权利要求11所述的光电转换装置，其中，响应于所述计数值的输入，所述校正电路输出满足以下方程的关系的入射光子的数量Nph：

Nct＝f₁×T₁×(1-exp(-Nph₁/(f₁×T₁)))+f₂×T₂×(1-

exp(-Nph₂/(f₂×T₂)))+…+f_n-1×T_n-1×(1-exp(-Nph_n-1/(f_n-1×T_n-1)))+f_n×T_n×(1-exp(-Nph_n/(f_n×T_n)))，

其中所述脉冲信号包括n种类型的频率，

所述脉冲信号的第一频率用f₁表示，第二频率用f₂表示，第(n-1)频率用f_n-1表示，并且第n频率用f_n表示(n为等于或大于2的自然数)，并且

所述脉冲信号的频率为第一频率f₁的时间段用T₁表示，所述脉冲信号的频率为第二频率f₂的时间段用T₂表示，所述脉冲信号的频率为第(n-1)频率f_n-1的时间段用T_n-1表示，并且所述脉冲信号的频率为第n频率f_n的时间段用T_n表示。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的光电转换装置，其中，在除了所述第一曝光时间段和所述第二曝光时间段之外的时间段内，所述脉冲信号不被输入到所述开关。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的光电转换装置，其中多个所述雪崩光电二极管在平面图中被布置在二维阵列中。

17.一种光电转换装置，包括：

雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管包括阳极和阴极；

其中所述信号产生单元包括被配置为在计数器电路的操作期间改变脉冲信号的周期的电路。

18.根据权利要求17所述的光电转换装置，其中所述电路是分频器电路。

19.根据权利要求16或17所述的光电转换装置，

其中所述开关的一个节点与所述雪崩光电二极管的阴极连接，并且

其中所述开关的另一个节点连接到将被施加驱动电压的电力线。

20.根据权利要求16至18中任一项所述的光电转换装置，

其中所述开关是金属-氧化物半导体(MOS)晶体管，并且

其中所述脉冲信号被供应给所述开关的栅电极。

21.根据权利要求16至19中任一项所述的光电转换装置，进一步包括信号处理电路，所述信号处理电路包括波形成形单元和计数器电路，

22.一种光学检测系统，包括：

根据权利要求1至20中任一项所述的光电转换装置；以及

信号处理单元，所述信号处理单元被配置为对所述光电转换装置输出的信号进行处理。

23.一种光学检测系统，包括：

根据权利要求1至12中任一项所述的光电转换装置；

信号处理单元，所述信号处理单元被配置为对所述光电转换装置输出的信号进行处理；以及

快门，所述快门被配置为控制到所述光电转换装置的光的入射，

其中所述第一曝光时间段和所述第二曝光时间段是所述快门被打开的时间段。

24.一种可移动体，包括：

根据权利要求1至20中任一项所述的光电转换装置；以及

距离信息获取单元，所述距离信息获取单元被配置为从基于来自所述光电转换装置的信号的距离测量信息获取指示到目标物体的距离的距离信息，所述可移动体进一步包括：

控制单元，所述控制单元被配置为基于所述距离信息来控制所述可移动体。