CN116634295A - 光电转换装置及其驱动方法、摄像***和移动体 - Google Patents

光电转换装置及其驱动方法、摄像***和移动体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光电转换装置及其驱动方法、摄像***和移动体。光电转换装置包括：雪崩倍增型的光电二极管；信号生成单元，其包括被配置为对施加至光电二极管的电压进行控制的控制单元，并且基于由于光子向光电二极管的入射而生成的输出来生成光子检测脉冲；以及计数器，用于对从信号生成单元输出的光子检测脉冲进行计数。在光子检测脉冲的计数值达到预定设置值的情况下，计数器输出设置值检测信号，并且响应于接收到设置值检测信号，控制单元对施加至光电二极管的电压进行控制以停止光电二极管中的雪崩电流的产生。

Description

光电转换装置及其驱动方法、摄像***和移动体
(本申请是申请日为2019年11月21日、申请号为201911147553.9、发明名称为“光电转换装置及其驱动方法、摄像***和移动体”的申请的分案申请。)
技术领域
本发明涉及一种光电转换装置、光电转换装置的驱动方法、摄像***和移动体。
背景技术
已知一种光子计数型光电转换装置，其对入射至光接收单元的光子的数量进行数字计数并将计数值作为数字信号从包括该接收单元的像素输出。美国专利申请公开2011/0266420的说明书公开了一种摄像装置，其中在该摄像装置中，布置了用于将光子的计数值作为数字信号输出的多个像素。
在光子计数型光电转换装置中，入射至光接收单元的光子的数量越大，检测光子所需的电路操作的次数越多。另一方面，可以计数的光子的数量被限制为所安装的计数器的计数上限值。因此，在预定曝光时间段结束之前达到上限计数值的像素中，进行用以检测将不被计数的光子的操作直到曝光时间段结束为止，这导致不必要的电力消耗。此外，随着光子检测操作的频率的增加，在电源布线中流动的电流增大，因此电源电压根据布线电阻而下降，这可能导致不稳定的电路操作。
发明内容
本发明旨在提供可以实现电力消耗的降低和电路操作的稳定性的提高的光电转换装置和摄像***。
根据本发明的一个方面，提供一种光电转换装置，包括：雪崩倍增型的光电二极管；信号生成单元，其包括被配置为对施加至所述光电二极管的电压进行控制的控制单元，并且基于由于光子向所述光电二极管的入射而生成的输出来生成光子检测脉冲；以及计数器，用于对从所述信号生成单元输出的光子检测脉冲进行计数，其中，在所述光子检测脉冲的计数值达到预定设置值的情况下，所述计数器输出设置值检测信号，以及其中，响应于接收到所述设置值检测信号，所述控制单元对施加至所述光电二极管的电压进行控制以停止所述光电二极管中的雪崩电流的产生。
此外，根据本发明的另一方面，提供一种光电转换装置的驱动方法，所述光电转换装置包括：雪崩倍增型的光电二极管、信号生成单元和计数器，所述信号生成单元用于对施加至所述光电二极管的电压进行控制并且基于由于光子向所述光电二极管的入射而生成的输出来生成光子检测脉冲，所述计数器用于对从所述信号生成单元输出的光子检测脉冲进行计数，所述驱动方法包括：在从所述计数器的复位起、直到计数值的读出为止的计数时间段内，在所述计数值未达到预定的设置值的情况下响应于所述光子检测脉冲而增加所述计数值，并且在所述计数值达到所述设置值的情况下停止所述光电二极管中的雪崩电流的产生。
此外，根据本发明的另一方面，提供一种摄像***，包括：上述的光电转换装置；以及信号处理单元，其被配置为处理从所述光电转换装置输出的信号。
此外，根据本发明的另一方面，提供一种移动体，包括：上述的光电转换装置；距离信息获取装置，用于从基于来自所述光电转换装置的信号的视差图像中获取与到对象物的距离有关的距离信息；以及控制装置，用于基于所述距离信息来控制所述移动体。
根据以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的光电转换装置的一般结构的框图。
图2是示出根据本发明的第一实施例的光电转换装置中的像素的一般结构的图。
图3是示出根据本发明的第一实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。
图4是示出根据本发明的第二实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。
图5是示出根据本发明的第三实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。
图6是示出根据本发明的第三实施例的光电转换装置的操作的时序图。
图7是示出根据本发明的第三实施例的光电转换装置的驱动方法的流程图。
图8是示出根据本发明的第四实施例的光电转换装置中的像素的一般结构的图。
图9是示出根据本发明的第四实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。
图10是示出根据本发明的第四实施例的光电转换装置的操作的时序图。
图11是示出根据本发明的第五实施例的光电转换装置中的像素的一般结构的图。
图12是示出根据本发明的第五实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。
图13是示出根据本发明的第六实施例的摄像***的一般结构的框图。
图14A是示出根据本发明的第七实施例的摄像***的结构示例的图。
图14B是示出根据本发明的第七实施例的移动体的结构示例的图。
具体实施方式
[第一实施例]
将参考图1至图3来说明根据本发明的第一实施例的光电转换装置及其驱动方法。
图1是示出根据本实施例的光电转换装置的一般结构的框图。图2是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的一般结构的框图。图3是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。
如图1所示，根据本实施例的光电转换装置100包括像素区域10、垂直选择电路30、信号处理电路40、水平选择电路50、输出电路60和控制电路70。
在像素区域10中，设置了以矩阵形式布置在多个行和多个列上的多个像素P。图1示出被布置在从第0行到第5行的6行以及从第0列到第5列的6列上的36个像素P以及用于指示行号和列号的附图标记。例如，被布置在第1行、第4列的像素P用附图标记“P14”标记。
注意，形成像素区域10的像素阵列的行数和列数不受特别限制。此外，在像素区域10中，像素P不必以二维方式布置。例如，像素区域10可以由单个像素P形成，或者像素P可以以一维方式沿行方向或列方向布置在像素区域10中。
在像素区域10的像素阵列的各行上，控制线PVSEL被布置为沿第一方向(图1中的水平方向)延伸。控制线PVSEL分别与沿第一方向对准的像素P相连接，以形成这些像素P所共通的信号线。控制线PVSEL延伸的第一方向可以表示为行方向或水平方向。注意，在图1中，控制线PVSEL用表示行号的附图标记表示。例如，第1行上的控制线用附图标记“PVSEL[1]”标记。
各行的控制线PVSEL与垂直选择电路30相连接。垂直选择电路30是将用于驱动像素P内的信号生成电路(未示出)的控制信号经由控制线PVSEL供给至像素P的电路单元。
在像素区域10的像素阵列的各列上，输出线POUT被布置为沿与第一方向交叉的第二方向(图1中的垂直方向)延伸。输出线POUT分别与沿第二方向对准的像素P相连接，以形成这些像素P所共通的信号线。输出线POUT延伸的第二方向可以表示为列方向或垂直方向。注意，在图1中，输出线POUT用表示列号的附图标记表示。例如，第4列上的输出线用附图标记“POUT[4]”标记。输出线POUT各自包括用于输出n位数字信号的n个信号线。
输出线POUT分别与信号处理电路40相连接。信号处理电路40各自被设置成与像素区域10的像素阵列的各列相关联，并且与相应列上的输出线POUT相连接。信号处理电路40具有用于保持经由相应列上的输出线POUT从像素P输出的信号的功能。由于从像素P输出的信号是经由输出线POUT中的n个信号线输入的n位信号，因此信号处理电路40各自包括用于保持各个位的信号的至少n个保持单元。
水平选择电路50是向信号处理电路40供给用于从信号处理电路40读出信号的控制信号的电路单元。水平选择电路50经由控制线PHSEL向各列上的信号处理电路40供给控制信号。已经从水平选择电路50接收到控制信号的信号处理电路40经由水平输出线HSIG将保持单元中所保持的信号输出至输出电路60。注意，在图1中，控制线PHSEL用表示列号的附图标记表示。例如，第4列上的控制线用附图标记“PHSEL[4]”标记。水平输出线HSIG各自包括用于输出n位数字信号的n个信号线。
输出电路60是用于将经由水平输出线HSIG而供给的信号作为输出信号SOUT输出至光电转换装置100的外部的电路单元。控制电路70是用于供给控制垂直选择电路30、信号处理电路40、水平选择电路50和输出电路60的操作及这些操作的定时的控制信号的电路单元。注意，可以从光电转换装置100的外部供给用于控制垂直选择电路30、信号处理电路40、水平选择电路50和输出电路60的操作及这些操作的定时的控制信号中的至少一些控制信号。
如图2所示，各像素P包括雪崩倍增光电二极管PD、信号生成电路12和计数器28。信号生成电路12包括阴极电压控制电路14和控制电路16。注意，在本说明书中，信号生成电路12可被称为信号生成单元，并且阴极电压控制电路14可被称为阴极电压控制单元。
光电二极管PD的阳极端子连接至电压Va的电源节点。通常，电压Va是负的高电压。光电二极管PD的阴极端子连接至阴极电压控制电路14。阴极电压控制电路14连接至控制电路16。控制电路16连接至计数器28。
当施加在阳极端子和阴极端子之间的反向偏置电压大于或等于击穿电压Vbd时，光电二极管PD响应于光子入射而产生雪崩电流。当雪崩电流在光电二极管PD中流动时，光电二极管PD的阴极端子的电压相应地改变。阴极端子的电压变化经由阴极电压控制电路14传播到控制电路16，并且光子检测脉冲从控制电路16输出到计数器28。信号生成电路12具有控制向光电二极管PD施加的电压并且基于光子向光电二极管的入射而生成的输出来生成光子检测脉冲的功能。
计数器28对从控制电路16输入的光子检测脉冲进行计数。在光子检测脉冲的计数值达到任意设置值N的情况下，计数器28向控制电路16输出设置值检测信号。设置值N不受特别限制，并且可以例如被设置为计数器28的计数上限值。此外，计数器28响应于来自垂直选择电路30的控制信号而将所保持的计数值作为n位数字信号输出至输出线POUT。
控制电路16具有响应于从计数器28接收到的设置值检测信号来控制阴极电压控制电路14的功能。即，控制电路16响应于从计数器28接收到设置值检测信号来控制阴极电压控制电路14，并且将施加在光电二极管PD的阳极端子和阴极端子之间的反向偏置电压减小至低于击穿电压Vbd的电压。即，阴极电压控制电路14用作用于控制向光电二极管PD施加的电压(更具体地，控制向光电二极管PD的阴极端子施加的电压)的控制单元。由此，即使在有光子入射的情况下，光电二极管PD也处于不发生雪崩电流的状态。
图3示出包括阴极电压控制电路14和控制电路16的具体结构示例的像素P的示意图。如图3所示，阴极电压控制电路14可以由p沟道MOS晶体管MP1形成。此外，控制电路16可以由反相器电路INV和缓冲器电路18形成。
反相器电路INV的输入端子连接至光电二极管PD的阴极端子。反相器电路INV的输出端子连接至计数器28。缓冲器电路18的输入端子连接至计数器28。缓冲器电路18的输出端子连接至p沟道MOS晶体管MP1的栅极端子。p沟道MOS晶体管MP1的源极端子连接至电压Vdd的电源节点。p沟道MOS电晶体MP1的漏极端子连接至光电二极管PD的阴极端子和反相器电路INV的输入端子的连接节点。
反相器电路INV形成用于将光电二极管PD的阴极端子处的电压变化转换为脉冲信号并输出光子检测脉冲Pp的波形成形单元。缓冲器电路18在从计数器28输出的设置值检测信号Pctl为高电平(H电平)时输出电压Vdd，并且在设置值检测信号Pctl为低电平(L电平)时输出电压Vqnc。电压Vqnc是作为L电平侧的基准电压而被提供给缓冲器电路18的比电压Vdd低的电压。电压Vqnc被适当地设置，使得当电压Vqnc被提供给p沟道MOS晶体管MP1的栅极时，p沟道MOS晶体管MP1用作期望的淬灭(quench)电阻器。
如上所述，阴极电压控制电路14被配置为将p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子连接至光电二极管PD的阴极端子。由于p沟道MOS晶体管MP1的操作期间的栅极电压是固定电压，因此由p沟道MOS晶体管MP1形成的淬灭电路是无源型，即无源再充电且无源淬灭型。
这里，术语“再充电”意味着用于将光电二极管PD的反向偏置电压增加到大于或等于击穿电压Vbd以使得能够进行雪崩倍增的操作。此外，术语“淬灭”意味着将光电二极管PD的反向偏置电压降低到小于击穿电压Vbd以不产生雪崩倍增的操作。
在计数值复位到零(0)的初始状态下，从计数器28输出的设置值检测信号Pctl处于L电平。因此，电压Vqnc被施加到阴极电压控制电路14的p沟道MOS晶体管MP1的栅极，p沟道MOS晶体管MP1导通。
因此，光电二极管PD的阴极端子经由p沟道MOS晶体管MP1被再充电至电压Vdd。此时施加在光电二极管PD的两个端子之间的反向偏置电压的大小表示如下。这里，电压Vex(过偏压)表示与超过施加到光电二极管PD的反向偏压值的击穿电压Vbd的部分相对应的电压值。
|Va–Vdd|＝Vbd+Vex
当光子在该状态下入射至光电二极管PD时，在光电二极管PD中发生雪崩电流，并且光电二极管PD的阴极端子的电压降低至(Vdd–Vex)。然后，光电二极管PD的阴极端子再次经由p沟道MOS晶体管MP1被再充电至电压Vdd。通过控制电路16的反相器电路INV对阴极端子处的这种电压变化的波形进行成形，由此生成光子检测脉冲Pp。
计数器28对从控制电路16输入的光子检测脉冲Pp进行计数，即，计数器28每次接收到一个光子检测脉冲Pp时，使计数值以1为单位递增。当计数值达到任意设置值N时，计数器28使设置值检测信号Pctl从L电平转变为H电平。
当设置值检测信号Pctl转变为H电平时，控制电路16的缓冲器电路18的输出变为电压Vdd，并且阴极电压控制电路14的p沟道MOS晶体管MP1断开。
因此，在计数值达到设置值N之后，即使当光子入射至光电二极管PD并且雪崩电流流动时，也不再对阴极端子进行再充电，并且施加在光电二极管PD的两个端子之间的电压变得小于击穿电压Vbd。此时，p沟道MOS晶体管MP1的断开电阻足够大，并且至少在直到使计数值复位的操作为止的时间段内，施加在光电二极管PD的两个端子之间的电压保持为小于击穿电压Vbd。
如果施加在光电二极管PD的两个端子之间的电压小于击穿电压Vbd，则由于即使当光子入射至光电二极管PD时也不发生雪崩电流，因此阴极电压控制电路14、控制电路16和计数器28的电路操作停止。因此，可以在直到计数值复位为止的时间段内降低电力消耗。此外，由于可以降低电流消耗，因此由于用于供给电压Vdd或电压Va的电源布线的布线电阻而引起的电源电压降减小，这可以提高电路操作的稳定性。
如上所述，根据本实施例，可以实现光电转换装置中的电力消耗的降低和电路操作的稳定性的提高。
[第二实施例]
将参考图4来说明根据本发明的第二实施例的光电转换装置。与根据第一实施例的光电转换装置的组件相同的组件用相同的附图标记来标记，并且将省略或简化其说明。图4是示出根据本实施例的光电转换装置的像素的结构示例的电路图。
除了控制电路16的结构不同之外，根据本实施例的光电转换装置与根据第一实施例的光电转换装置相同。即，如图4所示，例如，根据本实施例的光电转换装置的控制电路16可以由反相器电路INV1、INV2和INV3以及或(OR)门电路G1形成。
反相器电路INV1的输入端子连接至光电二极管PD的阴极端子和p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子的连接节点。反相器电路INV1的输出端子连接至反相器电路INV2的输入端子。反相器电路INV2的输出端子连接至反相器电路INV3的输入端子。反相器电路INV3的输出端子连接至计数器28。或门电路G1的两个输入端子连接至计数器28以及反相器电路INV2和反相器电路INV3之间的连接节点。或门电路G1的输出端子连接至p沟道MOS晶体管MP1的栅极。
反相器电路INV1、INV2和INV3形成波形成形单元，该波形成形单元用于将光电二极管PD的阴极端子处的电压变化转换为脉冲信号并输出光子检测脉冲Pp。如果从计数器28输出的设置值检测信号Pctl和反相器电路INV2的输出信号这两者处于L电平，则或门电路G1输出电压Vqnc，否则输出电压Vdd。电压Vqnc是作为L电平侧的基准电压而被提供给或门电路G1的比电压Vdd低的电压。电压Vqnc被适当地设置，使得当电压Vqnc被提供给p沟道MOS晶体管MP1的栅极时，p沟道MOS晶体管MP1用作期望的淬灭电阻器。
本实施例的控制电路16被配置为能够根据阴极端子的电压变化有源地控制阴极电压控制电路14的p沟道MOS晶体管MP1的栅极电压。即，本实施例的电路是有源再充电且无源淬灭型。在本实施例中，通过将阴极电压控制电路14的p沟道MOS晶体管MP1的导通电阻降低到低于第一实施例的情况下的导通电阻，可以有源地提前再充电。
另外在本实施例中，当计数器28的计数值达到任意设置值N时，设置值检测信号Pctl转变为H电平，并且不再对光电二极管PD的阴极端子进行再充电。由此，施加到光电二极管PD的两个端子的电压小于击穿电压Vbd，并且即使在有光子入射的情况下也可以使电路操作停止。
如上所述，根据本实施例，可以实现光电转换装置中的电力消耗的降低和电路操作的稳定性的提高。
[第三实施例]
将参考图5至图7来说明根据本发明的第三实施例的光电转换装置。与根据第一实施例和第二实施例的光电转换装置的组件相同的组件用相同的附图标记来标记，并且将省略或简化其说明。图5是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。图6是示出根据本实施例的光电转换装置的操作的时序图。图7是示出根据本实施例的光电转换装置的驱动方法的流程图。
根据本实施例的光电转换装置与根据第一实施例和第二实施例的光电转换装置的不同之处在于阴极电压控制电路14和控制电路16的结构。其它特征与第一实施例和第二实施例的光电转换装置的特征相同。
即，如图5所示，例如，根据本实施例的光电转换装置中的阴极电压控制电路14可以由p沟道MOS晶体管MP1和n沟道MOS晶体管MN1形成。p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子和n沟道MOS晶体管MN1的漏极端子连接至光电二极管PD的阴极端子。p沟道MOS晶体管MP1的源极端子连接至电压Vdd的电源节点。n沟道MOS晶体管MN1的源极端子连接至电压Vss的基准电压节点。
此外，如图5所示，例如，根据本实施例的光电转换装置中的控制电路16可以由定时控制电路20和22、或门电路G1和G3、以及与(AND)门电路G2形成。光电二极管PD的阴极端子、p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子和n沟道MOS晶体管MN1的漏极端子的连接节点经由定时控制电路20和22而连接至计数器28。或门电路G1的两个输入端子中的一个输入端子连接至定时控制电路22，并且或门电路G1的两个输入端子中的另一个输入端子连接至计数器28。或门电路G1的输出端子连接至p沟道MOS晶体管MP1的栅极。与门电路G2的两个输入端子中的一个输入端子连接至定时控制电路20，并且与门电路G2的两个输入端子中的另一个输入端子连接至定时控制电路22。或门电路G3的两个输入端子中的一个输入端子连接至与门电路G2的输出端子，并且或门电路G3的两个输入端子中的另一个输入端子连接至计数器28。或门电路G3的输出端子连接至n沟道MOS晶体管MN1的栅极。
定时控制电路20和22是用于响应于光电二极管PD的阴极端子的电压Vc的变化来控制阴极电压控制电路14中的再充电操作或淬灭操作的定时的电路。例如，定时控制电路20和22可以由多级反相器电路串联连接的延迟电路、或者使用各种装置的电阻和电容的延迟电路等形成。注意，定时控制电路20和22整体还具有作为将光电二极管PD的阴极端子的电压Vc的变化转换为脉冲信号并将脉冲信号作为光子检测脉冲Pp输出的波形成形单元的功能。在本说明书中，定时控制电路20和22可以表示为定时控制单元。
或门电路G1对作为定时控制电路22的输出的控制信号Pr’以及设置值检测信号Pctl进行逻辑和运算，并将作为运算结果的再充电控制信号Pr供给至p沟道MOS晶体管MP1的栅极端子。由此，p沟道MOS晶体管MP1形成再充电电路。
与门电路G2对作为定时控制电路22的输出的控制信号Pq’和作为定时控制电路20的输出的控制信号Pr’进行逻辑积运算。或门电路G3对设置值检测信号Pctl和与门电路G2的输出信号进行逻辑和运算，并且将作为运算结果的淬灭控制信号Pq供给至n沟道MOS晶体管MN1的栅极端子。由此，n沟道MOS晶体管MN1形成淬灭电路。
接着，将使用图6来说明根据本实施例的光电转换装置的操作示例。除了电压Vc、再充电控制信号Pr、淬灭控制信号Pq、光子检测脉冲Pp和设置值检测信号Pctl之外，图6还示出光子入射定时、计数值以及计数值复位和计数值读出的定时。光子入射定时表示光子入射至光电二极管PD的定时。计数值表示计数器28的计数值。计数值复位表示计数器28的计数值被复位的定时。计数值读出表示计数器28的计数值被输出至外部的定时。
这里假设定时控制电路20在预定延迟时间之后将通过将光电二极管PD的阴极端子的电压Vc的变化转换为脉冲信号而获得的信号作为逻辑反相控制信号Pq’输出。此外，假设定时控制电路22在预定延迟时间之后将控制信号Pq’作为逻辑反相控制信号Pr’输出。
首先，在时刻t1，计数值复位信号转变为H电平，并且计数器28的计数值复位为零(0)。
响应于光子入射至光电二极管PD，在光电二极管PD中发生雪崩电流，并且光电二极管PD的阴极端子的电压Vc减小。当阴极端子的电压Vc开始减小时，响应于电压Vc的变化而从定时控制电路20输出的控制信号Pq’在预定延迟时间之后转变为H电平。此时，由于从初始状态的定时控制电路22输出的控制信号Pr’处于H电平，因此淬灭控制信号Pq响应于H电平控制信号Pq’和Pr’也转变为H电平，并且n沟道MOS晶体管MN1导通。由此，电压Vc进一步经由n沟道MOS晶体管MN1继续降低，施加在光电二极管PD的两个端子之间的反向偏置电压变得小于击穿电压Vbd，并且不再发生雪崩电流(淬灭操作)。
接着，当控制信号Pr’响应于H电平控制信号Pq’在预定延迟时间之后转变为L电平时，淬灭控制信号Pq响应于L电平控制信号Pr’转变为L电平，并且n沟道MOS晶体管MN1断开。此外，再充电控制信号Pr响应于L电平控制信号Pr’而转变为L电平，并且p沟道MOS晶体管MP1导通。由此，光电二极管PD的再充电开始，并且施加到光电二极管PD的两个端子的反向偏置电压再次恢复成大于或等于击穿电压Vbd的电压(再充电操作)。
每当有光子入射时，重复上述的再充电操作和淬灭操作，并且光子检测脉冲Pp从控制电路16输出至计数器28，其中光子检测脉冲Pp的数量与重复次数相对应。计数器28对从控制电路16输出的光子检测脉冲Pp进行计数。重复这一系列操作，直到光子检测脉冲Pp的计数值达到预定设置值N的时刻t2为止。
在时刻t2，当计数值达到任意设置值N时，计数器28将设置值检测信号Pctl从L电平控制为H电平。因此，再充电控制信号Pr和淬灭控制信号Pq这两者转变为H电平，p沟道MOS晶体管MP1被断开，并且n沟道MOS晶体管MN1被导通。结果，光电二极管PD的阴极端子经由n沟道MOS晶体管MN1连接至基准电压节点，并且阴极端子的电压Vc降低到电压Vss。此时，由于施加在光电二极管PD的两个端子之间的反向偏置电压小于击穿电压Vbd，因此雪崩电流不再发生，并且阴极电压Vss固定。由此，阴极电压控制电路14和控制电路16的电路操作停止，并且电力消耗被抑制到最小。
接着，在时刻t3，将计数器28所保持的计数值(设置值N)读出到外部电路。
接着，在时刻t4，计数值复位信号转变为H电平，并且计数器28的计数值复位为零(0)。因此，以同样的操作新开始入射光子的数量的计数。
接着，在时刻t5，将计数器28所保持的计数值(N-4)读出到外部电路。
接着，在时刻t6，计数值复位信号转变为H电平，并且计数器28的计数值复位为零(0)。注意，由于计数值直到时刻t6为止未达到设置值N，因此设置值检测信号Pctl在从时刻t4到时刻t6的时间段期间保持在L电平。这样，除非计数值达到任意设置值N，否则光子检测操作继续，直到紧挨着计数值被复位之前的时刻为止。
接着，将使用图7来说明根据本实施例的光电转换装置的驱动方法。首先，计数器28的计数值复位(步骤S101)。
接着，判断当前时间是否在计数时间段内(步骤S102)。这里，计数时间段是指从紧接着复位计数值的定时之后的时刻起、直到紧挨着读出计数值的定时之前的时刻为止的时间段。作为判断的结果，如果判断为计数时间段正在进行(步骤S102为“是”)，则处理进入步骤S103，以及如果判断为计数时间段不是正在进行(步骤S102为“否”)，则处理进入步骤S107。
如果在步骤S102中判断为计数时间段正在进行，则判断计数器28的计数值是否达到任意设置值N(步骤S103)。作为判断的结果，如果计数值未达到任意设置值N(步骤S103为“否”)，则计数值响应于光子检测而递增(步骤S104)，并且处理返回到步骤S102。如果计数值达到任意设置值N(步骤S103为“是”)，则设置值检测信号Pctl从计数器28输出到控制电路16(步骤S105)。然后，在停止光电二极管PD的雪崩电流的发生(步骤S106)之后，处理返回到步骤S102。
如果在步骤S102中判断为计数时间段不是正在进行，则在步骤S107中进行从计数器28读出计数值。然后，处理返回到步骤S101，并且进行相同过程的重复。
如上所述，根据本实施例，可以实现光电转换装置中的电力消耗的降低和电路操作的稳定性的提高。
[第四实施例]
将参考图8至图10来说明根据本发明的第四实施例的光电转换装置。与根据第一实施例至第三实施例的光电转换装置的组件相同的组件用相同的附图标记来标记，并且将省略或简化其说明。图8是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的一般结构的图。图9是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。图10是示出根据本实施例的光电转换装置的操作的时序图。
如图8所示，在根据本实施例的光电转换装置中的像素P中，除了阴极电压控制电路14和控制电路16之外，信号生成电路12还包括电源电压控制电路24。因此，阴极电压控制电路14和控制电路16的结构与根据第一实施例至第三实施例的光电转换装置的阴极电压控制电路14和控制电路16的结构不同。其它特征与根据第一实施例至第三实施例的光电转换装置的特征相同。注意，在本说明书中，电源电压控制电路24可被称为电源电压控制单元。
即，如图9所示，例如，根据本实施例的光电转换装置中的阴极电压控制电路14可以由p沟道MOS晶体管MP1以及n沟道MOS晶体管MN1、MN2和MN3形成。p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子、n沟道MOS晶体管MN1的漏极端子和n沟道MOS晶体管MN3的漏极端子连接至光电二极管PD的阴极端子。n沟道MOS晶体管MN1的源极端子连接至n沟道MOS晶体管MN2的漏极端子。n沟道MOS晶体管MN2的源极端子和n沟道MOS晶体管MN3的源极端子连接至电压Vss的基准电压节点。
此外，如图9所示，例如，根据本实施例的光电转换装置中的控制电路16可以由定时控制电路20和22形成。光电二极管PD的阴极端子、p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子以及n沟道MOS晶体管MN1和MN3的漏极端子的连接节点经由定时控制电路20和22而连接至计数器28。n沟道MOS晶体管MN1的栅极端子连接至定时控制电路20。p沟道MOS晶体管MP1的栅极端子和n沟道MOS晶体管MN2的栅极端子连接至定时控制电路22。n沟道MOS晶体管MN3的栅极端子连接至计数器28。
此外，电源电压控制电路24包括p沟道MOS晶体管MP2。p沟道MOS晶体管MP2的漏极端子连接至p沟道MOS晶体管MP1的源极端子。p沟道MOS晶体管MP2的源极端子连接至电压Vdd的电源节点。p沟道MOS晶体管MP2的栅极端子连接至计数器28。
定时控制电路20和22是用于以与第三实施例相同的方式响应于光电二极管PD的阴极端子的电压Vc的变化来控制阴极电压控制电路14中的再充电操作或淬灭操作的定时的电路。定时控制电路20和22具有作为用于输出光子检测脉冲Pp的波形成形单元的功能这一特征也与上述相同。
p沟道MOS晶体管MP1和n沟道MOS晶体管MN2由从定时控制电路22输出的控制信号Pr’控制。n沟道MOS晶体管MN1由从定时控制电路20输出的控制信号Pq’控制。p沟道MOS晶体管MP2和n沟道MOS晶体管MN3由从计数器28输出的设置值检测信号Pctl控制。
当计数器28的计数值达到任意设置值N时，设置值检测信号Pctl转变为H电平，并且电源电压控制电路24的p沟道MOS晶体管MP2被断开。这停止了向阴极电压控制电路14中的p沟道MOS晶体管MP1供给电源电压，并且停止了对光电二极管PD的阴极端子进行再充电。此外，响应于设置值检测信号Pctl转变为H电平，阴极电压控制电路14的n沟道MOS晶体管MN3被导通，并且光电二极管PD的阴极端子的电压Vc固定到电压Vss。在这种意义上，电源电压控制电路24用作用于控制向光电二极管PD施加的电压(更具体地，控制供给至光电二极管PD的阴极端子的电源电压)的控制单元。
接着，将使用图10来说明根据本实施例的光电转换装置的操作示例。除了电压Vc、光子检测脉冲Pp和设置值检测信号Pctl之外，图10还示出光子入射定时、计数值、以及计数值复位和计数值读出的定时。
这里假设如下：定时控制电路20在预定延迟时间之后输出通过将光电二极管PD的阴极端子的电压Vc的变化转换为脉冲信号而获得的信号作为逻辑反相控制信号Pq’。此外，假设定时控制电路22在预定延迟时间之后输出控制信号Pq’作为逻辑反相控制信号Pr’。
首先，在时刻t1，计数值复位信号转变为H电平，并且计数器28的计数值复位为零(0)。
响应于光子入射至光电二极管PD，在光电二极管PD中发生雪崩电流，并且光电二极管PD的阴极端子的电压Vc减小。当阴极端子的电压Vc开始减小时，响应于电压Vc的变化而从定时控制电路20输出的控制信号Pq’在预定延迟时间之后转变为H电平。此时，由于从初始状态的定时控制电路22输出的控制信号Pr’处于H电平，因此n沟道MOS晶体管MN1和MN2响应于H电平控制信号Pq’和Pr’而被导通。由此，电压Vc进一步经由n沟道MOS晶体管MN1和MN2继续降低，施加在光电二极管PD的两个端子之间的反向偏置电压变得小于击穿电压Vbd，并且不再发生雪崩电流(淬灭操作)。
接着，当控制信号Pr’响应于H电平控制信号Pq’在预定延迟时间之后转变为L电平时，p沟道MOS晶体管MP1被导通，并且n沟道MOS晶体管MN2被断开。由此，光电二极管PD的再充电开始，并且施加到光电二极管PD的两个端子的反向偏置电压再次恢复成大于或等于击穿电压Vbd的电压(再充电操作)。
每当有光子入射时，重复上述的再充电操作和淬灭操作，并且光子检测脉冲Pp从控制电路16输出至计数器28，其中光子检测脉冲Pp的数量与重复次数相对应。计数器28对从控制电路16输出的光子检测脉冲Pp进行计数。重复这一系列操作，直到光子检测脉冲Pp的计数值达到预定设置值N的时刻t2为止。
在时刻t2，当计数值达到任意设置值N时，计数器28将设置值检测信号Pctl从L电平控制为H电平。由此，p沟道MOS晶体管MP2被断开，并且n沟道MOS晶体管MN3被导通。结果，光电二极管PD的阴极端子经由n沟道MOS晶体管MN3连接至基准电压节点，并且阴极端子的电压Vc降低到电压Vss。此时，由于施加在光电二极管PD的两个端子之间的反向偏置电压小于击穿电压Vbd，因此雪崩电流不再发生，并且阴极电压Vss固定。由此，阴极电压控制电路14和控制电路16的电路操作停止，并且电力消耗被抑制到最小。
接着，在时刻t3，将计数器28所保持的计数值(设置值N)读出到外部电路。
接着，在时刻t4，计数值复位信号转变为H电平，并且计数器28的计数值复位为零(0)。因此，通过同样的操作新开始入射光子的数量的计数。
接着，在时刻t5，将计数器28所保持的计数值(N-4)读出到外部电路。
接着，在时刻t6，计数值复位信号转变为H电平，并且计数器28的计数值复位为零(0)。注意，由于计数值直到时刻t6为止未达到设置值N，因此设置值检测信号Pctl在从时刻t4到时刻t6的时间段期间保持在L电平。这样，除非计数值达到任意设置值N，否则光子检测操作继续，直到紧接着计数值被复位之前的时刻为止。
如上所述，根据本实施例，可以实现光电转换装置中的电力消耗的降低和电路操作的稳定性的提高。
[第五实施例]
将参考图11和图12来说明根据本发明的第五实施例的光电转换装置。与根据第一实施例至第四实施例的光电转换装置的组件相同的组件用相同的附图标记来标记，并且将省略或简化其说明。图11是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的一般结构的图。图12是示出根据本实施例的光电转换装置中的像素的结构示例的电路图。
如图11所示，在根据本实施例的光电转换装置的像素P中，除了阴极电压控制电路14和控制电路16之外，信号生成电路12还包括阳极电压控制电路26。因此，阴极电压控制电路14和控制电路16的结构与第一实施例至第四实施例的光电转换装置的阴极电压控制电路14和控制电路16的结构不同。其它特征与根据第一实施例至第四实施例的光电转换装置的特征相同。注意，在本说明书中，阳极电压控制电路26可被称为阳极电压控制单元。
即，如图12所示，例如，根据本实施例的光电转换装置中的阴极电压控制电路14可以由p沟道MOS晶体管MP1形成。p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子连接至光电二极管PD的阴极端子。p沟道MOS晶体管MP1的源极端子连接至电压Vdd的电源节点。电压Vqnc被供给至p沟道MOS晶体管MP1的栅极端子。
此外，如图12所示，例如，根据本实施例的光电转换装置中的控制电路16可以由反相器电路INV形成。光电二极管PD的阴极端子和p沟道MOS晶体管MP1的漏极端子的连接节点连接至反相器电路INV的输入端子。反相器电路INV的输出端子连接至计数器28。
此外，阳极电压控制电路26包括开关SW。开关SW具有响应于从计数器28供给的设置值检测信号Pctl而将被供给至光电二极管PD的阳极端子的电压切换为电压Va1和电压Va2中的任一个的功能。例如，当设置值检测信号Pctl处于L电平时，阳极电压控制电路26将电压Va1供给至光电二极管PD的节点端子。另一方面，当设置值检测信号Pctl处于H电平时，阳极电压控制电路26切换开关SW以将电压Va2供给至光电二极管PD的阳极端子。即，阳极电压控制电路26用作用于控制向光电二极管PD施加的电压(更具体地，控制向光电二极管PD的阳极端子施加的电压)的控制单元。这里，电压Va1和Va2相对于电压Vdd和击穿电压Vbd具有以下关系。
|Vdd–Va1|>|Vbd|>|Vdd–Va2|
计数器28在计数值小于任意设置值N时输出L电平设置值检测信号Pctl。阳极电压控制电路26响应于L电平设置值检测信号Pctl来控制开关SW以将电压Va1供给至光电二极管PD的阳极端子。此时，施加在光电二极管PD的两个端子之间的电压(Vdd-Va1)大于光电二极管PD的击穿电压Vbd，这导致由于光子的入射而发生雪崩倍增的条件。
计数器28在计数值达到任意设置值N时输出H电平设置值检测信号Pctl。阳极电压控制电路26响应于H电平设置值检测信号Pctl来控制开关SW以将电压Va2供给至光电二极管PD的阳极端子。此时，施加在光电二极管PD的两个端子之间的电压(Vdd-Va2)小于光电二极管PD的击穿电压Vbd，因此不会由于光子的入射而发生雪崩倍增。
因此，同样在根据本实施例的光电转换装置中，当计数值达到任意设置值N时，信号生成电路12的操作停止，直到计数器28的计数值被复位为止。
如上所述，根据本实施例，可以实现光电转换装置中的电力消耗的降低和电路操作的稳定性的提高。
[第六实施例]
将参考图13来说明根据本发明的第六实施例的摄像***。图13是示出根据本实施例的摄像***的一般结构的框图。
上述的第一实施例至第五实施例中所描述的光电转换装置100可以适用于各种摄像***。可适用的摄像***的示例可以包括数字静态照相机、数字摄像机、监视照相机、复印机、传真机、移动电话、车载照相机和观测卫星等。另外，包括诸如镜头和摄像装置等的光学***的照相机模块也包括在摄像***中。图13示出作为这些示例中的示例的数字静态照相机的框图。
作为示例在图13中示出的摄像***200包括摄像装置201、用于将被摄体的光学图像成像到摄像装置201上的镜头202、用于改变穿过镜头202的光量的光圈204、以及用于保护镜头202的挡板206。镜头202和光圈204形成用于将光会聚到摄像装置201上的光学***。摄像装置201是第一实施例至第五实施例的任一个中所描述的光电转换装置100，并且将由镜头202成像的光学图像转换成图像数据。
此外，摄像***200包括用于处理从摄像装置201输出的输出信号的信号处理单元208。信号处理单元208进行用于将从摄像装置201输出的模拟信号转换成数字信号的模数(AD)转换。另外，如果需要，信号处理单元208进行各种校正或用以进行压缩并输出图像数据的操作。作为信号处理单元208的一部分的AD转换单元可以形成在设置有摄像装置201的半导体基板上，或者形成在与摄像装置201分离的半导体基板上。此外，摄像装置201和信号处理单元208可以形成在同一半导体基板上。
此外，摄像***200包括用于暂时存储图像数据的存储器单元210以及用于与外部计算机等进行通信的外部接口单元(外部I/F单元)212。摄像***200还包括用于进行摄像数据的存储或读出的诸如半导体存储器等的存储介质214、以及用于在存储介质214上进行存储或读出的存储介质控制接口单元(存储介质控制I/F单元)216。注意，存储介质214可以嵌入摄像***200中或者可以是可移除的。
此外，摄像***200包括用于进行各种计算并控制整个数字静态照相机的总控制/操作单元218、以及用于将各种定时信号输出至摄像装置201和信号处理单元208的定时生成单元220。这里，定时信号等可以从外部输入，并且摄像***200可以至少具有摄像装置201以及用于处理从摄像装置201输出的输出信号的信号处理单元208。
摄像装置201将摄像信号输出至信号处理单元208。信号处理单元208对从摄像装置201输出的摄像信号进行预定信号处理，并输出图像数据。信号处理单元208使用摄像信号来生成图像。
如上所述，根据本实施例，可以实现根据第一实施例至第五实施例的光电转换装置100适用的摄像***。
[第七实施例]
将参考图14A和图14B来说明根据本发明的第七实施例的摄像***和移动体。图14A是示出根据本实施例的摄像***的结构的图。图14B是示出根据本实施例的移动体的结构的图。
图14A示出与车载照相机相关的摄像***的示例。摄像***300包括摄像装置310。摄像装置310是在以上的第一实施例至第五实施例的任一个中所描述的光电转换装置100。摄像***300包括用于对由摄像装置310获取到的多个图像数据进行图像处理的图像处理单元312、以及用于根据摄像***300所获取到的多个图像数据计算视差(视差图像的相位差)的视差获取单元314。此外，摄像***300包括用于基于所计算出的视差来计算到对象物的距离的距离获取单元316、以及用于基于所计算出的距离来判断是否存在碰撞可能性的碰撞判断单元318。这里，视差获取单元314和距离获取单元316是用于获取与到对象物的距离有关的距离信息的距离信息获取装置的示例。即，距离信息是与视差、散焦量或到对象物的距离等有关的信息。碰撞判断单元318可以使用距离信息中的任意信息来判断碰撞可能性。距离信息获取装置可以由专门设计的硬件实现，或者可以由软件模块实现。此外，距离信息获取单元可以由现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)等实现，或者可以由它们的组合实现。
摄像***300连接至车辆信息获取装置320，并且可以获取诸如车速、偏航率或转向角等的车辆信息。此外，摄像***300连接至控制ECU 330，该控制ECU 330是用于基于碰撞判断单元318的判断结果而输出用于使车辆产生制动力的控制信号的控制装置。此外，摄像***300还连接至警报装置340，该警报装置340基于碰撞判断单元318的判断结果来向驾驶员发出警报。例如，当碰撞判断单元318的判断结果包括碰撞可能性高时，控制ECU 330通过施加制动、推回加速器或者抑制发动机功率等来进行车辆控制以避免碰撞或减少损坏。警报装置340通过发出诸如声音等的警报、在汽车导航***等的显示器上显示警报信息、或者向安全带或方向盘提供振动等来警告用户。
在本实施例中，通过使用摄像***300来拍摄车辆周围的区域(例如，前方区域或后方区域)。图14B示出拍摄车辆的前方区域(拍摄区域350)的情况下的摄像***。车辆信息获取装置320向摄像***300或摄像装置310发送指示。这种结构可以进一步提高测距精度。
尽管以上已经说明了用于避免与另一车辆碰撞的控制的示例，但是本实施例可适用于跟随另一车辆的自动驾驶控制或者不离开车道的自动驾驶控制等。此外，摄像***不限于诸如对象车辆等的车辆，并且例如可以适用于诸如船舶、飞机或工业机器人等的移动体(可移动设备)。另外，摄像***可以广泛地适用于诸如智能交通***(ITS)等的利用物体识别的装置，而不限于移动体。
[变形例]
本发明不限于上述的实施例，并且各种变形例是可能的。
例如，将任意实施例的结构的一部分添加到另一实施例的示例或者将任意实施例的结构的一部分替代为另一实施例的结构的一部分的示例也是本发明的实施例其中之一。
此外，上述的第一实施例至第五实施例中所示的阴极电压控制电路14或控制电路16等的各电路结构是示例，并且可以由可实现与上述相同的操作的其它电路形成。
此外，上述的第六实施例和第七实施例中所示的摄像***是本发明的光电转换装置可以适用的摄像***的示例，并且本发明的光电转换装置可以适用的摄像***不限于图13和图14A所示的结构。
尽管已经参考典型实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围应被给予最广泛的解释，以涵盖所有这样的变形以及等效结构和功能。

Claims (10)

1.一种光电转换装置，包括：
雪崩倍增型的光电二极管；
信号生成单元，其包括被配置为对施加至所述光电二极管的电压进行控制的控制单元，并且基于由于光子向所述光电二极管的入射而生成的输出来生成光子检测脉冲；以及
计数器，用于对从所述信号生成单元输出的光子检测脉冲进行计数，
其中，在所述光子检测脉冲的计数值达到预定设置值的情况下，所述计数器输出设置值检测信号，以及
其中，响应于接收到所述设置值检测信号，所述控制单元对施加至所述光电二极管的电压进行控制以停止所述光电二极管中的雪崩电流的产生。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，所述控制单元是被配置为对施加至所述光电二极管的阴极端子的电压进行控制的阴极电压控制单元，并且通过利用所述设置值检测信号控制所述阴极电压控制单元来停止所述光电二极管中的雪崩电流的产生。
3.根据权利要求2所述的光电转换装置，其中，所述阴极电压控制单元包括被配置为增大施加至所述光电二极管的电压的再充电电路，并且响应于所述设置值检测信号而使所述再充电电路断开。
4.根据权利要求2所述的光电转换装置，其中，所述阴极电压控制单元包括被配置为减小施加至所述光电二极管的电压的淬灭电路，并且响应于所述设置值检测信号而使所述淬灭电路接通。
5.根据权利要求2所述的光电转换装置，
其中，所述阴极电压控制单元包括再充电电路、淬灭电路和定时控制单元，所述再充电电路被配置为增大施加至所述光电二极管的电压，所述淬灭电路被配置为减小施加至所述光电二极管的电压，以及所述定时控制单元被配置为在与光子向所述光电二极管的入射相对应的预定定时输出淬灭控制信号和再充电控制信号，以及
其中，所述阴极电压控制单元响应于所述再充电控制信号或所述设置值检测信号而使所述再充电电路断开，并且响应于所述淬灭控制信号或所述设置值检测信号而使所述淬灭电路接通。
6.根据权利要求3或5所述的光电转换装置，其中，所述再充电电路响应于所述设置值检测信号而使所述光电二极管的阴极端子与电源节点断开连接。
7.根据权利要求4或5所述的光电转换装置，其中，所述淬灭电路响应于所述设置值检测信号而使所述光电二极管的阴极端子连接至基准电压节点。
8.一种光电转换装置的驱动方法，所述光电转换装置包括：雪崩倍增型的光电二极管、信号生成单元和计数器，所述信号生成单元用于对施加至所述光电二极管的电压进行控制并且基于由于光子向所述光电二极管的入射而生成的输出来生成光子检测脉冲，所述计数器用于对从所述信号生成单元输出的光子检测脉冲进行计数，所述驱动方法包括：
在从所述计数器的复位起、直到计数值的读出为止的计数时间段内，在所述计数值未达到预定的设置值的情况下响应于所述光子检测脉冲而增加所述计数值，并且在所述计数值达到所述设置值的情况下停止所述光电二极管中的雪崩电流的产生。
9.一种摄像***，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的光电转换装置；以及
信号处理单元，其被配置为处理从所述光电转换装置输出的信号。
10.一种移动体，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的光电转换装置；
距离信息获取装置，用于从基于来自所述光电转换装置的信号的视差图像中获取与到对象物的距离有关的距离信息；以及
控制装置，用于基于所述距离信息来控制所述移动体。
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