[发明专利]硅光电倍增器读出电路

说明书

下面的内容涉及光电二极管，且特别地涉及盖革(Geiger)模式的雪崩光电二极管的阵列。已经发现这种光电二极管对于用在正电子发射断层显像(PET)和单光子发射计算机化断层显像(SPECT)系统、光学成像设备中的探测器的具体应用，以及其中部署了光电传感器的阵列的其他应用。

在医疗和其他领域中的各种应用依赖于低能级(low level)光脉冲的探测。PET系统例如包括探测表示在检查区域中发生正电子衰变的、时间上一致的511千电子伏(keV)伽马光子的辐射敏感探测器。该探测器包括响应于接收到的511keV伽马而生成较低能量光子爆裂(burst)(典型地在可见光范围内或附近)的闪烁器，且每个爆裂(burst)典型地包括在数十到数百纳秒(ns)数量级的时间周期上散布的数百到数千数量级的光子。在飞行时间(TOF)PET系统的情况下，伽马光子的相对到达时间已经被用于估计沿响应线(LOR)的正电子衰变位置。

光电倍增管(PMT)已经常规地被用于探测由闪烁器产生的光子。然而，PMT是基于容量相对较大的真空管的设备，其不是特别适合需要高空间分辨率的应用。最近，已经引入了硅光电倍增器(SiPM)。SiPM已经包括探测器像素的阵列，其中每个像素包括数千数量级的、并联地电连接的雪崩光电二极管(APD)单元。各种APD单元以盖革模式工作，其中每个单元包括猝熄电路(quenching circuit)。SiPM可以提供多个优点，包括相对紧凑的尺寸、良好的灵敏度以及良好的空间分辨率。而且，APD和他们的相关读出电路通常可以被装配在公共半导体衬底上。

在日期为2006年10月26日、且名称为“Digital SiliconPhotomultiplier for TOF-PET”的PCT公布WO2006/111883A2中公开了：包括以单元级别(at the cell level)实现的数字读出电路的数字SiPM。如在该公布中更充分地公开的，所描述的结构可以被使用以提供特别有效的数字读出机制(scheme)。然而，以单元级别实现读出电路趋于增加专用于读出电路的单元面积的百分比。反过来说，该布置趋于减少可用于光电二极管的面积并且因此减少该阵列的面积效率。另外，通常可以通过改进系统定时测量的准确性来增强系统性能。

本申请的几个方面解决了这些问题和其他的问题。

根据第一方面，一种装置包括第一光电探测器单元和第二光电探测器单元。第一光电探测器单元包括第一雪崩光电二极管和第一电路。第一电路感测第一光电二极管的雪崩并且存储指示所感测的雪崩的第一1位(比特)数字值。第二光电探测器单元包括第二雪崩光电二极管和第二电路。第二电路感测第二光电二极管的雪崩并且存储指示所感测的雪崩的第二1位(bit)数字值。

根据另一方面，一种方法包括：在光电探测器像素的多个光电探测器单元中，确定该单元的雪崩光电二极管是否产生指示雪崩的信号；将确定的结果作为1位数字值存储在该单元的电路中；以及计数所存储的数字值以产生指示雪崩数量的值。

根据另一方面，一种光电探测器装置包括多个光电二极管单元。这些单元包括雪崩光电二极管和读出电路。该读出电路包括提供(present)异步的1位数字光电二极管雪崩信号的第一输出和提供同步的1位数字光电二极管雪崩信号的第二输出。该装置还包括计数所提供的同步信号的计数器和包括与第二输出操作性电通信的触发输入的时间-数字变换器。

根据另一方面，一种光电探测器包括半导体衬底、多个装配在该衬底上的光电探测器单元。该单元包括雪崩光电二极管(208)和6晶体管SRAM单元。

根据本发明的另一方面，一种光电探测器包括雪崩光电二极管、锁存光子触发电路(308)、光子触发输出(212)和光子数据输出(214)。

根据另一方面，一种光电探测器包括半导体衬底、装配在该衬底上的第一光电传感器、和装配在该衬底上的第一光电传感器读出电路。第一读出电路包括第一输出启动输入、经由第一输出启动输入有选择地启动的第一漏极开路数字输出电路、以及第二漏极开路数字输出电路。该光电探测器还包括装配在所述衬底上的第二光电传感器和装配在所述衬底上的第二光电传感器读出电路。第二读出电路包括第二输出启动输入、经由第二输出启动输入有选择地启动的第三漏极开路数字输出电路、以及第四漏极开路数字输出电路。

本领域的技术人员通过阅读并理解下面的详细描述后将会理解本发明的其他方面。

本发明可以具体化为各种组件和组件的布置以及各种步骤和步骤的布置。附图仅仅是为了说明优选实施例的目的，并且不应当被解释为限制本发明。

图1描绘成像系统。