[发明专利]一种采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路

权利要求书

1.一种采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路，包括相关双采样读出电路和采样保持电路，其特征在于所述相关双采样读出电路包含两级，第一级相关双采样读出电路和每条列总线连接，在行选择信号Sel控制下每行像素单元模拟计数器中的计数结果通过列总线读入到第一级相关双采样读出电路中，然后在时序控制信号CLK1的控制下对像素单元曝光后与复位后的输出结果进行两次采样，消除像素单元中的固定模式噪声，每列上的第一级相关双采样读出电路在列选择信号Col的控制下依时序将两次采样相减的结果送入到第二级相关双采样读出电路；第二级相关双采样读出电路作为采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路的输出级，它在时序控制信号CLK2的控制下对第一级相关双采样读出电路的读出与复位两个阶段的结果进行采样，消除第一级相关双采样读出电路中的固定模式噪声，第二级相关双采样读出电路的输出接采样保持电路，采样保持电路对采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路的输出结果进行采样并送入模数转换器的输入，通过模数转换器将像素单元中的光子计数信息转换为数字信号读出。

2.根据权利要求1所述的采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路，其特征在于所述第一级相关双采样读出电路由电压跟随器A，采样电容C1，一个受时序控制信号CLK1控制的开关S1以及一个受列选择信号Col控制的开关S2组成，第一级相关双采样读出电路的输入端与列总线相连，输出端连接到第二级相关双采样读出电路的输入端，其中采样电容C1一端与列总线相连接，另一端接电压跟随器A的输入端，电压跟随器A的输入端在时序控制信号CLK1的控制下通过开关S1与第一级相关双采样读出电路复位电压Vb1相连，电压跟随器A的输出连接列选开关S2，列选开关S2由列选择信号Col控制着第一级相关双采样读出电路的输出与第二级相关双采样读出电路的输入的连接。

3.一种利用权利要求1所述的采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路进行读出的方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)在整个阵列像素单元信号读出之前，先对所有像素单元进行曝光，像素单元中模拟计数器对SPAD探测到的光子进行模拟计数并保存，等待被选通读出；

(2)等到曝光结束后，在行选择信号Sel控制下将每个像素单元模拟计数器中的计数结果通过列总线读入到第一级相关双采样读出电路中，此时，相关双采样读出电路时序控制信号CLK1为高电平，开关S1为开启状态，采样电容C1对像素单元曝光后的输出信号进行采样，采样完成后，像素复位信号Rst为高电平，对像素单元进行复位，使像素单元输出信号变为复位后的自身偏置，与此同时，第一级相关双采样读出电路的时序控制信号CLK1为低电平，开关S1闭合，电压跟随器A的输入端的电荷无法流失，故采样电容C1上的压降保持恒定，则电压跟随器A的输出迅速变为像素单元电路曝光后与复位后的两个电压差值，像素电路中的固定模式噪声被去除；

(3)第一级相关双采样读出电路完成工作后，列选开关S2被列选择控制信号Col控制下依次开启，第一级相关双采样读出电路的采样信号被依次送入到第二级相关双采样读出电路中，在每个列总线读出过程中，列选择信号Col信号控制列选开关S2开启，对列总线上的第一级相关双采样读出电路的采样信号进行采样，两个采样电容采样完成后，对第一级相关双采样读出电路进行复位，使第一级相关双采样读出电路输出信号为复位后的自身偏置，与此同时，第二级相关双采样读出电路的时序控制信号CLK2关闭，电压跟随器A2与A3输入端电荷无法流失，两个采样电容上的压降保持恒定，则第二级相关双采样读出电路输出结果迅速变为第一级相关双采样读出电路的采样电压与第一级相关双采样读出电路自身偏置电压的差值，第一级相关双采样读出电路中的固定模式噪声被去除；

(4)采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路采样完成后，受时序控制信号CLK3控制下的采样开关S5开启，对采用二次相关双采样技术的SPAD阵列级读出电路的输出结果进行采样，并把采样结果送入模数转换电路。