[发明专利]一种低像素尺寸的单光子CMOS图像传感器像素电路

说明书

本发明提供了一种低像素尺寸的单光子CMOS图像传感器像素电路，包含淬火电路，模拟计数电路和读出电路，淬火电路一端连接模拟计数电路，模拟计数电路一端连接读出电路。淬火电路含有一个单光子雪崩二极管，淬火电路控制单光子雪崩二极管的工作与关闭并产生脉冲。本发明的单光子CMOS图像传感器像素电路，只使用5个NMOS晶体管和1个单光子雪崩二极管，结构精简，适用于高分辨率的单光子CMOS图像传感器。

[技术领域]

本发明涉及集成电路的CMOS图像传感器像素电路和系统框架，适用于低像素尺寸高分辨率的单光子CMOS图像传感器。

[背景技术]

近些年来，人们越发频繁地在生命科学中利用荧光的特性来进行研究。除了环境检测、临床医学、DNA测序等应用以外，荧光也可以用作细胞鉴定、流式细胞技术的分类，来揭示细胞内部物质的位置和运动。稳态的荧光显微技术经常应用于细胞分析里面，然而，它对某些基于光强的因素例如激发光源强度的变化、光漂白等等很敏感。并且这种技术很难区分具有相同激发和发射光谱的荧光基团。荧光寿命成像显微技术产生了荧光基团寿命的空间域成像，提供了查看荧光基团的另一个维度的信息。而且荧光寿命对于荧光所处的环境非常敏感，独立于影响荧光强度的诸多因素。

传统光电二极管CMOS图像传感器通常经过感应光的强度，产生对应的光电流，然后对光电流积分产生一个电压值，接着对该电压值进行处理得到此像素点的光强。然而一方面，传统光电二极管CMOS图像传感器很难能够达到单个光子检测的灵敏度，而且对后端所需的处理电路的信噪比有极高的要求。另外一方面，传统光电二极管CMOS图像传感器对光电流的积分时间相对较长，是一个相对较慢的处理过程。单光子CMOS图像传感器由于它本身对光子极高的敏感度和极短的响应时间，很适合于荧光寿命成像显微技术。相比于庞大的荧光寿命成像实验平台，此种传感器芯片价格低廉，集成度很高，通过一个芯片即可以获得通过庞大和昂贵的实验平台才能够得到的数据。

时间域快门(time-gated)技术是一种快速的能够实时检测荧光寿命的技术，与传统的时域相关单光子计数(TCSPC)检测技术相比，该种检测技术对系统的硬件要求更低，通过两帧或者多帧即可获得某个像素点荧光寿命的信息。而且通过此种技术手段可以达到很高的像素分辨率，传统的基于TCSPC技术的像素电路尺寸一般在五十个微米以上，而基于时间域快门(time-gated)技术的像素电路能够达到二十个微米左右。

如图1所示，通过统计两个脉冲宽度之间的光强和以下公式：

我们可以得出某像素点的荧光寿命τ，S1和S2是测量得到的光强，分别与窗口内的光子总数成正比，Δt是测量脉冲宽度。

在图2所示的实验平台中，单光子CMOS图像传感器被用来检测荧光寿命。整个实验在黑暗无光的条件下进行，首先外部发射一束峰值功率在几百毫瓦量级的皮秒脉冲激光来激发样本产生荧光，然后单光子CMOS图像传感器放置在出光孔处来检测荧光强度，最后通过两个窗口内所得到的光子数来算出荧光寿命。

文献(Lucio Pancheri,Nicola Massari,David Stoppa,“SPAD Image SensorWith Analog Counting Pixel for Time-Resolved Fluorescence Detection”,IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.60,NO.10,OCTOBER 2013)展示了一个32x32像素的用于荧光寿命探测的单光子CMOS图像传感器，该传感器采用高压0.35μm CMOS技术制造，采用模拟计数的方法来最大限度地减少像素尺寸。所有像素电路由12个NMOS晶体管和1个单光子雪崩二极管构成，具有25μm的像素尺寸和20.8％的填充系数。

[发明内容]

为了提供一种更优的低像素尺寸的单光子CMOS图像传感器像素电路，本发明采用的技术方案是：