[发明专利]一种单光子飞行时间检测电路及测量方法

说明书

本发明公开了一种单光子飞行时间检测电路，该电路包括转换控制逻辑单元，时间‑模拟转换单元和n位数字计时/计数单元。外部单光子探测器输出的外部光子雪崩信号作为转换控制逻辑单元的输入和n位数字计时/计数单元的输入，转换控制逻辑单元的第一输出端接时间‑模拟转换单元的输入，转换控制逻辑单元的第二输出端接n位数字计时/计数单元的控制输入，时间‑模拟转换单元输出光子飞行时间模拟信号，n位数字计时/计数单元输出n位计时/计数信号。本发明同时公开了一种使用该单光子飞行时间检测电路进行光子飞行时间测量的方法。本发明结合了时间‑数字转换和时间‑模拟转换的优势，可以在锁相环时钟频率较低时获得极高的时间分辨率，并显著扩大了光子飞行时间的测量范围。

技术领域

本发明涉及一种测量单光子飞行时间的时间-模数混合转换电路，属于单光子探测和光子飞行时间(TOF)技术领域。

背景技术

由于具有探测灵敏度高、响应速度快、面积小、功耗低和CMOS工艺完全兼容等显著优势，单光子雪崩二极管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)已在激光测距、荧光寿命成像、DNA测序和3D成像等方面显示出广泛的应用前景。而这些应用领域都需要对光子飞行时间(time-of-flight,TOF)进行测量来获得时间相关的单光子计数/计时结果。目前单光子飞行时间的直接测量方法主要有时间-数字转换和时间-模拟转换两种方法。用于单光子飞行时间测量的时间-数字转换电路虽然具有测量距离长、抑制噪声和干扰能力强等优点，但是存在电路结构复杂，像素单元填充因子低和阵列集成度不高的问题。用于单光子飞行时间测量的时间-模拟转换电路相比于上述时间-数字转换电路，具有时间分辨率高，像素单元填充因子高和阵列集成度高的优势，但是测量距离的范围较短，无法完成远距离测量。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种能够同时提高时间分辨率和探测距离的单光子飞行时间测量电路，并有效提高了单光子飞行时间测量电路的像素单元填充因子和阵列集成度。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种单光子飞行时间检测电路，该电路包括转换控制逻辑单元，时间-模拟转换单元和n位数字计时/计数单元；外部单光子探测器输出的外部光子雪崩信号作为转换控制逻辑单元的输入和n位数字计时/计数单元的输入，转换控制逻辑单元的第一输出端接时间-模拟转换单元的输入，转换控制逻辑单元的第二输出端接n位数字计时/计数单元的控制输入，时间-模拟转换单元输出光子飞行时间模拟信号，n位数字计时/计数单元输出n位计时/计数信号。

所述的转换控制逻辑单元，包括第一RS触发器，D触发器和二输入异或门；第一RS触发器的S端接收外部光子雪崩信号，第一RS触发器的R端接收外部复位信号，第一RS触发器的Q端连接D触发器的D端和二输入异或门的一个输入端，D触发器的cp端连接外部时钟信号，D触发器的Q端连接二输入异或门的另一个输入端，二输入异或门输出端为转换控制逻辑单元的第一输出端，输出第一控制信号Inf，D触发器的Q端为转换控制逻辑单元的第二输出端，输出第二控制信号Con。

所述的时间-模拟转换单元，包括时间-模拟转换电路和读出选择开关；时间-模拟转换电路的in端接收转换控制逻辑单元的第一控制信号Inf，时间-模拟转换电路的R端连接外部复位信号，时间-模拟转换电路的out端连接读出选择开关，通过外部读信号控制输出光子飞行时间模拟信号。