具体实施方式

下面将参考附图描述根据实施例的成像处理电路和成像系统。要注意，下面描述的实施例仅是本公开的各种实施例的示例。可以根据设计等对以下实施例进行各种修改，只要实现本公开的目的即可。

[概要]

本实施例的成像系统1用作诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等的二维图像传感器。如图1所示，成像系统1包括多个(在图1中为4个)像素电路3、多个(在图1中为2个)偏置电路4、多个(在图1中为2个)竖直信号线51、电压供应电路71、竖直扫描电路72和偏置控制器73。成像系统1还包括多个(在图1中为2个)相关双采样电路81和多个(在图1中为2个)放大器电路82。成像系统1还包括微控制器，该微控制器被配置为控制成像系统1的总体操作。

多个像素电路3布置成二维阵列。在多个像素电路3中，属于相同列的两个或更多个像素电路3电连接到公共竖直信号线51。多个像素电路3中的每一个包括光电转换器2。光电转换器2将光子转换成电荷。通过由光电转换器2对光子进行转换而获得的电荷是电压的形式，并且作为输出信号Vo1向竖直信号线51输出。输出信号Vo1经由竖直信号线51被读取到位于成像系统1外部的设备。

多个偏置电路4与多个竖直信号线51一一相对应。每个偏置电路4电连接到竖直信号线51中的对应的一条竖直信号线。每个偏置电路4向竖直信号线51中的对应的一条竖直信号线输出偏置电压。因此，每个偏置电路4限制输出信号Vo1的最小值。换言之，从偏置电路4向竖直信号线51输出的偏置电压的幅度确定输出信号Vo1的最小值。

成像处理电路10包括至少一个偏置电路4(限制器)。在本实施例中，成像处理电路10是包括以下项的组件:多个像素电路3中的每一个中的除了光电转换器2之外的组件；以及多个偏置电路4。也就是说，成像系统1包括成像处理电路10和多个光电转换器2。

每个光电转换器2包括雪崩光电二极管。在本实施例中，每个光电转换器2由雪崩光电二极管组成。每个光电转换器2具有从光子到电荷的可变转换比率。也就是说，当向雪崩光电二极管施加大于或等于规定的值(雪崩击穿电压)的反向电压时，雪崩击穿现象明显地提高从光子到电荷的转换比率。即，每个光电转换器2具有倍增电荷的功能。要注意，在雪崩光电二极管中，当雪崩击穿现象出现时从光子到电荷的转换称为雪崩倍增。

在以下描述中，当光电转换器2使电荷倍增时从光子到电荷的转换比率称为第一转换比率。此外，当光电转换器2不使电荷倍增时从光子到电荷的转换比率称为第二转换比率。也就是说，光电转换器2的从光子到电荷的转换比率是在第一转换比率与第二转换比率之间可变的。第二转换比率小于第一转换比率。

在本实施例中，当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时用光对光电转换器2的照射将输出信号Vo1减小到由偏置电路4限制的最小值，而与光的强度无关。此外，当不再用光照射光电转换器2时、或者当停止使光电转换器2暴露到光时，输出信号Vo1增大到由放大元件33限制的最大值，将在下面进行描述。

当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时，光电转换器2使电荷倍增，因此可以以高的灵敏度来检测光。此时，可以根据输出信号Vo1由二进制值表示存在或不存在光。相反，当光电转换器2的转换比率为第二转换比率时，输出信号Vo1的幅度根据入射到光电转换器2上的光量在最大值与最小值之间改变，因此入射到光电转换器2上的光量可以根据输出信号Vo1来测量。也就是说，当光电转换器2的转换比率为第二转换比率时，相比二进制值，可以更精细地表示光量。

偏置电路4(限制器)限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个。偏置电路4将当转换比率为第一转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差调整为小于当转换比率为第二转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。具体地，偏置电路4将当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时的偏置电压增大到大于当光电转换器2的转换比率为第二转换比率时的偏置电压。向竖直信号线51输出的输出信号Vo1的最小值等于偏置电压。也就是说，偏置电路4(限制器)限制与竖直信号线51的电压的最小值相对应的偏置电压。偏置电路4(限制器)调整偏置电压，以将当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时的输出信号Vo1的最小值增大到大于当转换比率为第二转换比率时的输出信号Vo1的最小值。

因此，随着光电转换器2的转换比率增大，偏置电路4(限制器)减小来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。

竖直信号线51中的来自光电转换器2的输出信号Vo1的最小值被限制。也就是说，当输出信号Vo1小于由偏置电路4限制的竖直信号线51的电压的最小值(偏置电压)时，从光电转换器2输出的电荷的幅度不改变，但是向竖直信号线51输出的输出信号Vo1增大到最小值。

此外，如上所述，一个偏置电路4(限制器)限制来自两个或更多个光电转换器2的输出信号Vo1中的每一个的最大值或最小值中的至少一个(在本实施例中，仅最小值)。也就是说，每个偏置电路4限制来自经由竖直信号线51与偏置电路4电连接的两个或更多个光电转换器2的输出信号Vo1中的每一个的最小值。本实施例包括多个单元，每个单元包括这样的偏置电路4和两个或更多个光电转换器2。每个偏置电路4限制竖直信号线51的电压的最大值或最小值中的至少一个，由此限制输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个。

根据本实施例的成像系统1，当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的最大值与最小值之差小于当光电转换器2的转换比率为第二转换比率时输出信号Vo1的最大值与最小值之差。因此，输出信号Vo1从作为起点的最大值或最小值改变时的改变量较小，因此改变所需的时间减少。此外，当输出信号Vo1从最大值与最小值之间的中间值改变到最大值或最小值时，改变量也较小，因此改变所需的时间减少。因此，这可以提高当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度。

此外，当光电转换器2的转换比率为第二转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差大于当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。因此，在不减少当光电转换器2的转换比率为第二转换比率时的可测量的光的灰度级的情况下，可以提高当转换比率为第一转换比率时的输出信号Vo1的读取速度。

此外，当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时，输出信号Vo1的最大值与最小值之差相对较小，因此可以减少由成像系统1消耗的电流。

此外，在成像系统1中，在像素电路3的外部设置偏置电路4，该偏置电路4是被配置为限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个的电路。因此，与在像素电路3中包括被配置为限制输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个的电路的情况相比，每个像素电路3可以减小尺寸。

偏置电路4限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值的定时(timing)不限于在本实施例中举例说明的定时。例如，可以采用以下方法：从在将光子输入到光电转换器2并且从像素电路3读取输出信号Vo1时的定时之前的特定时间段起已经限制了输出信号Vo1的最大值或最小值。此外，例如，在像素电路3包括3个晶体管(即，复位元件32、放大元件33和选择元件34)的方法中，输出信号Vo1的最大值或最小值可以在读取输出信号Vo1之后的特定时间段内进行限制。

此外，在本实施例中，光电转换器2的通过光的入射所生成的输出信号Vo1的电压值大于初始值，但是例如当像素电路3包括P型晶体管时，光电转换器2的通过光的入射所生成的输出信号Vo1的电压值小于初始值。此外，在这种情况下，通过限制输出信号Vo1的最大值或最小值来有效地减小来自像素电路3的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。

[配置]

多个像素电路3布置在二维阵列中。属于相同行的两个或更多个像素电路3经由馈送导线(feed wire)电连接到电压供应电路71。属于相同行的两个或更多个像素电路3经由馈送导线电连接到竖直扫描电路72。多个像素电路3的多个列与多个相关双采样电路81一一相对应。属于相同的列的两个或更多个像素电路3经由馈送导线电连接到相关双采样电路81中的共同对应的一个相关双采样电路。每个相关双采样电路81与放大器电路82中的对应的一个放大器电路电连接。

将在下面描述多个像素电路3中的一个像素电路3，除非另有说明。

像素电路3包括光电转换器2、传输元件31、复位元件32、放大元件33、选择元件34、以及将这些元件彼此电连接的导线。传输元件31、复位元件32、放大元件33和选择元件34各自是半导体开关元件，例如n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

光电转换器2(雪崩光电二极管)具有电连接到电压供应电路71的阳极。光电转换器2具有电连接到传输元件31的源极端子的阴极。传输元件31具有经由节点35与复位元件32的源极端子和放大元件33的栅极端子电连接的漏极端子。在这个实施例中，节点35是像素电路3中包括的导线上的点。放大元件33具有电连接到选择元件34的漏极端子的源极端子。选择元件34具有电连接到竖直信号线51的源极端子。

电压供应电路71(调整器)具有作为操作模式的第一模式和第二模式。电压供应电路71在第一模式下向光电转换器2施加大于或等于雪崩击穿电压的反向电压。因此，电压供应电路71在第一模式下将光电转换器2的转换比率调整为第一转换比率。也就是说，电压供应电路71在第一模式下导致光电转换器2使电荷倍增。相反，电压供应电路71在第二模式下向光电转换器2施加小于雪崩击穿电压的反向电压。因此，电压供应电路71在第二模式下将光电转换器2的转换比率调整为第二转换比率。也就是说，改变要向光电转换器2施加的反向电压的幅度与电压供应电路71的操作模式的切换相对应。

成像系统1可以在第一模式下以比在第二模式下更高的灵敏度来检测光，并且可以在第二模式下比在第一模式下更精细地测量光量。也就是说，切换电压供应电路71的操作模式使成像系统1能够用于两种应用。

竖直扫描电路72向传输元件31、复位元件32和选择元件34中的每一个的栅极端子输入电压信号。这使传输元件31、复位元件32和选择元件34中的每一个接通和关断。当传输元件31接通时，由光电转换器2生成的电荷被传输到节点35。电压供应电路71向复位元件32的漏极端子施加具有规定的幅度的复位电压。当复位元件32接通时，节点35的电压等于复位电压。即，节点35的电压被复位。电压供应电路71向放大元件33的漏极端子施加电源电压。当放大元件33接通时，放大元件33调整节点35的电压并向选择元件34输出电压。具体地，放大(调整)元件33向选择元件34输出通过放大或衰减节点35的电压而获得的电压或与节点35的电压相等的电压。当选择元件34接通时，将由放大元件33调整的电压作为输出信号Vo1输出给竖直信号线51。

向竖直信号线51输出的输出信号Vo1的最大值由放大元件33的漏极电压限制。换言之，放大元件33的漏极电压的幅度确定输出信号Vo1的最大值。

偏置电路4包括第一直流源41、第二直流源42、开关元件43、开关元件44、以及将这些元件彼此电连接的导线。第一直流源41具有电连接到地的正端子。第一直流源41具有经由开关元件43和连接点45电连接到竖直信号线51的负端子。在这个实施例中，连接点45是偏置电路4中包括的导线上的点。第二直流源42具有偏置控制器73施加了具有规定幅度的电压的正端子。第二直流源42具有经由开关元件44和连接点45电连接到竖直信号线51的负端子。第一直流源41输出与第二直流源42相同幅度的电流。

开关元件43和开关元件44中的每一个是半导体开关元件，例如n沟道MOSFET。开关元件43和开关元件44各自具有偏置控制器73输入控制信号的栅极端子。这接通和关断开关元件43和开关元件44中的每一个。

在这个实施例中，开关元件43原样地接收从偏置控制器73输出的控制信号，并且开关元件44接收通过使控制信号的高电平和低电平反向而获得的信号。因此，偏置控制器73进行控制，使得当开关元件43和开关元件44中的一个接通时，开关元件43和开关元件44中的另一个关断。当偏置控制器73控制为使开关元件43关断并且使开关元件44接通时的竖直信号线51的偏置电压(基本上0V)小于当偏置控制器73控制为使开关元件43接通并且使开关元件44关断时的偏置电压。这些偏置电压之差等于偏置控制器73向第二直流源42施加的电压。

偏置电路4(限制器)根据电压供应电路71(调整器)的操作模式来限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个。本实施例的偏置电路4限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最小值。也就是说，当电压供应电路71的操作模式为第一模式时，偏置控制器73控制为使开关元件43接通并且使开关元件44关断。相反，当电压供应电路71的操作模式为第二模式时，偏置控制器73控制为使开关元件43关断并且使开关元件44接通。因此，偏置电路4调整为使当电压供应电路71的操作模式为第一模式时的输出信号Vo1的最小值大于当电压供应电路71的操作模式为第二模式时的输出信号Vo1的最小值。

(操作示例)

下面将参考图2描述成像系统1的操作示例。在图2中的图的左侧提供的符号vrd1、vrst1、vapd1、sigs1、sigr1、sigt1、vcsel、sigsel、FD1、bl1和sot1表示在由图1中的相同符号表示的位置处的各个电压。

假设电压供应电路71的操作模式以恒定的周期在第一模式与第二模式之间切换，下面给出了描述。具体地，从时间点T1至时间点T6，电压供应电路71在第二模式下操作，并且从时间点T7至时间点T12，电压供应电路71在第一模式下操作。

成像系统1执行来自多个像素电路3的输出信号Vo1的时分读取。也就是说，针对每一行在不同的定时处从以二维阵列布置的多个像素电路3输出输出信号Vo1。在这个实施例中，给出了关注于一个像素电路3的描述。

从时间点T1至时间点T6，向光电转换器2施加的电压(vapd1)具有负值并且大于与雪崩击穿电压相对应的规定的值。换言之，从时间点T1至时间点T6，向光电转换器2施加的反向电压小于雪崩击穿电压。因此，电压供应电路71的操作模式为第二模式。因为电压供应电路71的操作模式为第二模式，所以偏置控制器73向偏置电路4输出用于控制以使开关元件43接通并且使开关元件44关断的低电平信号(sigsel)。因此，竖直信号线51的电压(bl1)具有“vss”的最小值。即，从像素电路3向竖直信号线51输出的输出信号Vo1的最小值为“vss”。

从时间点T1至时间点T2，传输元件31的栅极电压(sigt1)处于低电平，因此由光电转换器2生成的电荷被累积。此外，复位元件32的栅极电压(sigr1)处于高电平，因此节点35的电压(FD1)固定为复位电压(vrst)。此外，选择元件34的栅极电压(sigs1)处于高电平，因此向竖直信号线51输出复位电压。严格地讲，竖直信号线51的电压(bl1)具有通过从复位电压(vrst)减去放大元件33的栅极和源极之间的阈值电压vt而获得的值。要注意，假设放大元件33的放大系数是1。竖直信号线51的电压(bl1)被输入到相关双采样电路81。

从时间点T2至时间点T3，复位元件32的栅极电压(sigr1)被调整为低电平。然后，从时间点T3至时间点T4，因为传输元件31的栅极电压(sigt1)处于高电平，所以由光电转换器2生成的电荷被传输到节点35，并且经由放大元件33和选择元件34作为输出信号Vo1向竖直信号线51输出。因此，当用光照射光电转换器2时，竖直信号线51的电压(bl1)具有通过从节点35的根据照射光电转换器2的光量的电压(vfds)减去阈值电压vt而获得的值(由图2中从时间点T3至时间点T4的实线表示)。此外，当不用光照射光电转换器2时，竖直信号线51的电压(bl1)具有通过从与光电转换器2的暗电流相对应的电压(vfdb)减去阈值电压vt而获得的值(由图2中从时间点T3至时间点T4的虚线表示)。

相关双采样电路81计算从时间点T1至时间点T2从竖直信号线51输入的电压与从时间点T3至时间点T4从竖直信号线51输入的电压之间的差电压(vsn)。随着入射到光电转换器2上的光量的增大，差电压(vsn)增大。具体地，差电压(vsn)与入射到光电转换器2上的光量成比例。

放大器电路82放大从相关双采样电路81输出的信号(sot1)。信号(sot1)包括与差电压(vsn)有关的信息。

从时间点T4至时间点T5，传输元件31的栅极电压(sigt1)和复位元件32的栅极电压(sigr1)被调整为高电平。因此，光电转换器2(雪崩光电二极管)耗尽。然后，从时间点T5至时间点T6，传输元件31的栅极电压(sigt1)被调整为低电平。

从时间点T6至时间点T7，向光电转换器2施加的电压(vapd1)减小。因此，从时间点T7至时间点T12，向光电转换器2施加的电压(vapd1)具有负值，并且小于与雪崩击穿电压相对应的规定的值。换言之，从时间点T7至时间点T12，向光电转换器2施加的反向电压大于雪崩击穿电压。因此，电压供应电路71的操作模式为第一模式。因为电压供应电路71的操作模式为第一模式，所以偏置控制器73向偏置电路4输出用于控制以使开关元件43关断并且使开关元件44接通的高电平信号(sigsel)。因此，竖直信号线51的电压(bl1)具有“vcs”的最小值。即，从像素电路3向竖直信号线51输出的输出信号Vo1的最小值为“vcs”。“vcs”大于“vss”，“vss”是当电压供应电路71的操作模式为第二模式时竖直信号线51的电压(bl1)的最小值。

从时间点T7至时间点T12，传输元件31、复位元件32和选择元件34中的每一个的栅极电压以与从时间点T1至时间点T6类似的方式在高电平与低电平之间切换。下面将描述更多细节。

从时间点T7至时间点T9的操作与从时间点T1至时间点T3的操作相同，并且将省略其描述。

从时间点T9至时间点T10，传输元件31的栅极电压(sigt1)处于高电平，因此，以与从时间点T3至时间点T4的操作类似的方式，在光电转换器2处生成的电荷被传输到节点35，并且经由放大元件33和选择元件34作为输出信号Vo1向竖直信号线51输出。此处，向光电转换器2(雪崩光电二极管)施加大于雪崩击穿电压的反向电压，因此当用光照射光电转换器2时，竖直信号线51的电压(bl1)具有由偏置电路4限制的最小值(vcs)(由图2中从时间点T9至时间点T10的实线表示)。此外，当不用光照射光电转换器2时，竖直信号线51的电压(bl1)具有通过从与光电转换器2的暗电流相对应的电压(vfdb)减去阈值电压vt而获得的值(由图2中从时间点T9至时间点T10的虚线表示)。

相关双采样电路81计算从时间点T7至时间点T8从竖直信号线51输入的电压与从时间点T9至时间点T10从竖直信号线51输入的电压之间的差电压(vsa)。当光入射到光电转换器2上时，差电压(vsa)具有由从偏置控制器73向偏置电路4的第二直流源42施加的电压(vcsel)限定的恒定的值。

放大器电路82放大从相关双采样电路81输出的信号(sot1)。信号(sot1)包括与差电压(vsa)有关的信息。

从时间点T10至时间点T12的操作与从时间点T4至时间点T6的操作相同，并且将省略其描述。

从时间点T12至时间点T13，向光电转换器2施加的电压(vapd1)增大。之后，操作返回到时间点T0。在时间点T1之前，向光电转换器2施加的负电压(vapd1)超过与雪崩击穿电压相对应的规定的值。换言之，向光电转换器2施加的反向电压小于雪崩击穿电压。因此，电压供应电路71的操作模式为第二模式。

要注意，此处参考图2并且假设电压供应电路71的操作模式以恒定的周期在第一模式与第二模式之间切换而给出了描述，但是电压供应电路71的操作模式可以固定为第一模式。此外，第一模式或第二模式可以由外部给出的操作来选择。

[比较示例]

图3示出了根据比较示例的成像系统1P的框图。与实施例的成像系统1中的组件类似的组件由与实施例中的附图标记相同的附图标记来表示，并且将省略其描述。

在成像系统1P中，偏置电路4P的配置与实施例的偏置电路4的配置不同。也就是说，偏置电路4P仅包括第一直流源41。因此，从偏置电路4P向竖直信号线51输出的偏置电压总是恒定的。

在图4A中，再次示出了图2的一部分。在图4B中，示出了根据比较示例的成像系统1P的操作示例。在图4B所示的操作示例中，传输元件31、复位元件32和选择元件34中的每一个的栅极电压在与图2(实施例)所示的定时相同的定时处在高电平与低电平之间切换。

参考图4B中从时间点T7至时间点T13的时间段，竖直信号线51的电压(bl1)可以改变为比图2的情况(图4A)下的电压低的电压(vss)。因此，参考从时间点T9至时间点T10的时间段，向竖直信号线51输出的输出信号Vo1的最小值具有通过从与光电转换器2的饱和的光强度相对应的电压(vfda)减去阈值电压vt而获得的值。此处，关系vss<vfda-vt保持成立。

在实施例的成像系统1中，当光电转换器2使电荷倍增(在第一模式下)时，输出信号Vo1的最小值被限制为比“vss”高的电压，如图2中从时间点T9至时间点T10所示。因此，当输出信号Vo1改变为最小值时的改变量较小，因此改变所需的时间减少。因此，与比较示例相比，实施例可以提高输出信号Vo1的读取速度。

(第一变型)

接着，将参考图5描述实施例的第一变型。与实施例中的组件类似的组件由与实施例中的附图标记相同的附图标记表示，并且将省略其描述。

第一变型涉及代替实施例的像素电路3的像素电路3A的配置。像素电路3A包括除了像素电路3的组件之外的钳位电路36。

钳位电路36包括例如二极管361和开关元件362。开关元件362是半导体开关元件，例如n沟道MOSFET。二极管361具有电连接到节点35的阳极。二极管361具有电连接到开关元件362的源极端子的阴极。开关元件362具有电压供应电路71施加电压的漏极端子。开关元件362具有电连接到竖直扫描电路72的栅极端子。

当来自竖直扫描电路72的控制信号将栅极电压改变为高电平以在开关元件362的漏极与源极之间建立传导时，节点35的电压由开关元件362的漏极电压钳制。总之，节点35的电压的最大值是开关元件362的漏极电压和二极管361的正向电压之和。因此，从像素电路3A向竖直信号线51输出的输出信号Vo1的最大值由钳位电路36限制(钳制)。也就是说，当从光电转换器2输出的电荷足够大时，根据电荷的电压减小至节点35的电压的最大值，由此减小输出信号Vo1。

当栅极电压转变为低电平，开关元件362的漏极与源极不建立传导，因此节点35的电压不再被钳制。

钳位电路36(限制器)根据来自竖直扫描电路72的控制信号，将当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时的输出信号Vo1的最大值减小为小于当转换比率为第二转换比率时输出信号Vo1的最大值。当电压供应电路71的操作模式为第一模式时，钳位电路36接通开关元件362。相反，当电压供应电路71的操作模式为第二模式，钳位电路36关断开关元件362。因此，钳位电路36调整为使当电压供应电路71的操作模式为第一模式时的输出信号Vo1的最大值大于当电压供应电路71的操作模式为第二模式时的输出信号Vo1的最大值。

限制当电压供应电路71的操作模式为第一模式并且光电转换器2的转换比率为第一转换比率时的输出信号Vo1的最大值减小了输出信号Vo1的最大值与最小值之差。因此，当输出信号Vo1从作为起点的最大值或最小值改变时的改变量较小，因此改变所需的时间减少。此外，当输出信号Vo1从最大值与最小值之间的中间值改变到最大值或最小值时，改变量也较小，因此改变所需的时间减少。因此，这可以提高当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度。

要注意，在第一变型中，从偏置电路4向竖直信号线51输出的偏置电压的幅度可以是恒定的。也就是说，偏置电路4具有如同图3所示的比较示例的至少第一直流源41。偏置电路4或钳位电路36中的至少一个控制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个。也就是说，为了提高输出信号Vo1的读取速度，输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个被限制。

(第二变型)

接着，将参考图6描述实施例的第二变型。与实施例中的组件类似的组件由与实施例中的附图标记相同的附图标记表示，并且将省略其描述。

第二变型涉及代替实施例的偏置电路4的偏置电路4B的配置。偏置电路4B包括第一直流源41，但是不包括第二直流源42。除了第一直流源41之外，偏置电路4B还包括开关元件43和开关元件44。偏置电路4B通过接通和关断开关元件43和开关元件44来改变向竖直信号线51输出的偏置电压的幅度。

开关元件43具有与第一直流源41的正端子电连接的第一端部。开关元件43具有电连接到地的第二端部。开关元件44具有与第一直流源41的正端子电连接的第一端部。开关元件44具有第二端部，偏置控制器73向该第二端部施加具有规定的幅度的电压(vcsel)。第一直流源41具有电连接到竖直信号线51的负端子。

偏置控制器73进行控制使得当开关元件43和开关元件44之一接通时，开关元件43和开关元件44中的另一个关断。当偏置控制器73控制为使开关元件43关断并且使开关元件44接通时的竖直信号线51的偏置电压小于当偏置控制器73控制为使开关元件43接通并且使开关元件44关断时的偏置电压。差等于从偏置控制器73向开关元件44的第二端部施加的电压。

当电压供应电路71的操作模式为第一模式时，偏置控制器73控制为使开关元件43接通并且使开关元件44关断。相反，当电压供应电路71的操作模式为第二模式时，偏置控制器73控制为使开关元件43关断并且使开关元件44接通。因此，偏置电路4B调整为使当电压供应电路71的操作模式为第一模式时的输出信号Vo1的最小值大于当电压供应电路71的操作模式为第二模式时的输出信号Vo1的最小值。

此外，偏置电路4B还包括开关元件46和开关元件47。偏置电路4B被配置为：通过接通和关断开关元件43和开关元件44或接通和关断开关元件46和开关元件47中的至少一项来改变向竖直信号线51输出的偏置电压的幅度。

当开关元件46接通并且开关元件47关断时，第一电压(vba)经由开关元件46提供给第一直流源41。此外，当开关元件46关断并且开关元件47接通时，第二电压(vbb)经由开关元件47提供给第一直流源41。第一直流源41根据如此提供的电压的幅度来改变输出电流的幅度，由此改变向竖直信号线51输出的偏置电压的幅度。因此，偏置电路4B被配置为：基于开关元件43和开关元件44的接通和关断的组合以及开关元件46和开关元件47的接通和关断的组合以四种方式改变偏置电压的幅度。

根据第二变型，实现了可对输出信号Vo1的最小值进行调整的组件(偏置电路4B)，而无需使用第二直流源42。

(实施例的其他变型)

下面将描述实施例的其他变型。下面描述的变型可以相应地彼此组合。

与成像系统1的功能类似的功能可以通过成像处理方法、(计算机)程序、存储程序的非暂时性存储介质等来实现。

根据一个方面的一种成像处理方法包括限制处理。该限制处理包括：限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个，光电转换器被配置为将光子转换成电荷，并且光电转换器的从光子到电荷的转换比率是可变的。该限制处理将当转换比率为第一转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差限制为小于当转换比率为第二转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。第二转换比率小于第一转换比率。

根据一个方面的一种程序是被配置为使一个或多个处理器执行成像处理方法的程序。

根据本公开的成像系统1包括计算机系统。计算机系统包括处理器和存储器作为主要硬件组件。根据本公开的成像系统1的功能可以通过使处理器执行存储在计算机系统的存储器中的程序来实现。该程序可以预先存储在计算机系统的存储器中、可以经由电信网络提供、或者可以作为非暂时性记录介质(例如，存储程序的计算机系统可读的存储卡、光盘或硬盘驱动器)提供。计算机系统的处理器可以由包括半导体集成电路(IC)或大规模集成电路(LSI)的单个或多个电子电路组成。本文提及的诸如IC或LSI之类的集成电路可以根据集成的程度以另一方式称为称作系统LSI、甚大规模集成(VLSI)或超大规模集成(ULSI)的集成电路并且包括上述集成电路。可选地，也可以采用要在LSI制成之后进行编程的现场可编程门阵列(FPGA)或允许LSI内部的连接或电路部分重配置的可重配置的逻辑器件作为处理器。多个电子电路可以集中到一个芯片上，或者可以分布在多个芯片上。多个芯片可以集中到一个设备中，或者可以分布在多个设备中。如本文提及的，计算机系统包括微控制器，该微控制器包括一个或多个处理器和一个或多个存储器。因此，微控制器还由包括半导体集成电路或大规模集成电路的一个或多个电子电路组成。

此外，将成像系统1的多个功能集中在一个壳体中不是成像系统1的必要配置。成像系统1的组件可以分布在多个壳体中。此外，成像系统1的至少一些功能可以通过云(云计算)等来实现。

相反，在实施例中，分布在多个设备中的成像系统1的至少一些功能可以集中在一个壳体中。

光电转换器2不限于具有雪崩光电二极管。光电转换器2可以包括例如倍增元件(例如，齐纳二极管)和光电转换元件(例如，光电二极管、光电晶体管或光敏电阻器)的组合。

光电转换器2的配置不限于当电荷被倍增时输出信号Vo1在两个值之间变化的配置，而是光电转换器2的配置可以是输出信号Vo1在三个或更多个值之间变化的配置。例如，光电转换器2可以被配置为使得当电荷被倍增时，输出信号Vo1具有在没有光子入射的情况下的第一值(最大值)、输出信号Vo1具有在一种光子入射的情况下的第二值、以及输出信号Vo1具有在两种或更多种光子入射的情况下的第三值(最小值)。

光电转换器2不限于具有从光子到电荷的转换比率以两种方式(即，第一转换比率和第二转换比率)改变的配置，而是光电转换器2可以具有转换比率以三种或更多种方式改变的配置。例如，多个雪崩光电二极管的组合可以用作光电转换器2，以实现从光子到电荷的转换比率以三种或更多种方式改变的配置。电压供应电路71(调整器)可以除了具有第一模式和第二模式之外，还具有将光电转换器2的转换比率改变为与第一转换比率和第二转换比率不同的转换比率的一个或多个模式。

配置为累积电荷的元件(例如，电容器)可以电连接到节点35。

实施例的多个像素电路3沿行和列对准，但是在每一行和每一列中，多个像素电路3不一定沿直线对准。

成像系统1的至少一些组件可以通过微机电系统(MEMS)技术设置在半导体衬底等上。

[发明内容]

上述实施例等公开了以下方面。

根据第一方面的一种成像处理电路10包括限制器(偏置电路4、偏置电路4B或钳位电路36)。限制器被配置为限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个，所述光电转换器被配置为将光子转换成电荷，并且所述光电转换器的从光子到电荷的转换比率是可变的。限制器将当转换比率为第一转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差限制为小于当转换比率为第二转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。第二转换比率小于第一转换比率。

利用该配置，来自光电转换器2的输出信号Vo1改变的改变速度在光电转换器2的转换比率为第一转换比率时比在光电转换器2的转换比率为第二转换比率时更大。也就是说，与来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之间的恒定的差的情况(与光电转换器2的转换比率无关)相比，当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度被提高。

在根据参考第一方面的第二方面的成像处理电路10中，限制器(偏置电路4、偏置电路4B)包括至少一个限制器(偏置电路4、偏置电路4B)。光电转换器2包括多个光电转换器2。至少一个限制器中的一个限制器限制来自多个光电转换器2中的两个或更多个光电转换器2的输出信号Vo1中的每一个的最大值或最小值中的至少一个。

利用该配置，一个限制器(偏置电路4、偏置电路4B)限制来自两个或更多个光电转换器2的输出信号Vo1，因此与向光电转换器2中的每一个分别提供限制器的情况相比，限制器的数量被减小。

在根据参考第二方面的第三方面的成像处理电路10中，限制器(偏置电路4、偏置电路4B)被配置为：以竖直信号线51和多个光电转换器2中的向竖直信号线51输出输出信号Vo1的两个或更多个光电转换器为单位，限制竖直信号线51的电压的最大值或最小值中的至少一个。

利用该配置，限制器(偏置电路4、偏置电路4B)被配置为：在竖直信号线51中共同限制从两个或更多个光电转换器2向竖直信号线51输出的输出信号Vo1。

在根据参考第一方面至第三方面中的任一方面的第四方面的成像处理电路10中，限制器(偏置电路4、偏置电路4B)被配置为：将当转换比率为第一转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最小值调整为大于当转换比率为第二转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最小值。

该配置提高了当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度。

在根据参考第一方面至第四方面中的任一方面的第五方面的成像处理电路10中，限制器(钳位电路36)被配置为：将当转换比率为第一转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值调整为小于当转换比率为第二转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值。

该配置提高了当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度。

在根据参考第一方面至第五方面中的任一方面的第六方面的成像处理电路10中，限制器(偏置电路4、偏置电路4B或钳位电路36)被配置为：随着转换比率增大而减小来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。

这个配置提高了当光电转换器2的转换比率相对较高时输出信号Vo1的读取速度。

参考第一方面至第六方面中的任一方面的第七方面的成像处理电路10，还包括：被配置为调整转换比率的调整器(电压供应电路71)。调整器具有将转换比率调整为第一转换比率的第一模式和将转换比率调整为第二转换比率的第二模式作为操作模式。限制器(偏置电路4、偏置电路4B或钳位电路36)被配置为：根据调整器的操作模式限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个。

利用该配置，成像处理电路10在第一模式下以比在第二模式下更高的灵敏度来检测光，并且在第二模式下比在第一模式下更精细地测量光量。也就是说，切换电压供应电路71的操作模式使成像处理电路10能够在两种应用中使用。

在根据参考第一方面至第七方面中的任一方面的第八方面的成像处理电路10中，光电转换器2包括雪崩光电二极管。第一转换比率是向雪崩光电二极管施加雪崩击穿电压时的转换比率。

该配置使当雪崩光电二极管的雪崩击穿出现时输出信号Vo1的改变速度提高。

除了第一方面的配置之外的配置不是成像处理电路10的必要配置，因此可以省略。

根据第九方面的一种成像系统1包括：根据第一方面至第八方面中的任一方面的成像处理电路10；以及光电转换器2。

该配置提高了当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度。

根据第十方面的一种成像处理方法包括限制处理。该限制处理包括：限制来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值或最小值中的至少一个，光电转换器被配置为将光子转换成电荷，并且光电转换器的从光子到电荷的转换比率是可变的。该限制处理包括：将当转换比率为第一转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差限制为小于当转换比率为第二转换比率时来自光电转换器2的输出信号Vo1的最大值与最小值之差。第二转换比率小于第一转换比率。

该配置提高了当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度。

根据第十一方面的一种程序被配置为使一个或多个处理器执行根据第十方面的成像处理方法。

该配置提高了当光电转换器2的转换比率为第一转换比率时输出信号Vo1的读取速度。

实施例的成像系统1的各种配置(包括变型)不限于上述方面并且可以由成像处理方法及程序实现。

附图标记列表

1 成像系统

10 成像处理电路

2 光电转换器

36 钳位电路

4，4B 偏置电路

51 竖直信号线

71 电压供应电路

Vo1 输出信号。