[发明专利]SPAD探测器阵列的异步读出电路及其异步读出方法

说明书

本发明公开了SPAD探测器阵列的异步读出电路及其异步读出方法。现有的异步方式优先机制不够完善，无法缓解到达时间相近的光子的读出冲突，因此会造成部分有效光子的遗漏。本发明SPAD探测器阵列的异步读出电路，包括计数触发或门、外部计数器、外部比较模块、控制器和m个像素内部模块。像素内部模块包括TDC电路、淬灭电路、stay触发器和比较计数器。比较计数器包括第1反馈电路、第2反馈电路、……、第n‑1反馈电路、一个前置电路和n个计数单元。本发明根据阵列的输出顺序匹配相应的地址值，减少了冗余信息的输出，从而提高输出效率，同时解决了像素的输出冲突问题，避免了有效像素信息的遗漏。

技术领域

本发明属于图像传感器读出电路技术领域，具体涉及一种SPAD探测器阵列的异步读出电路结构及其异步读出方法。

背景技术

随着科学技术的发展和器件工艺的进步，光电成像技术在人们日常生活中的不同领域得到了广泛的应用。近年来，单光子雪崩二极管(SPAD)探测器凭借自身灵敏度高、集成性强、检测速度快、功耗低、能够检测极其微弱的光信号等优点吸引了世界各国科研人员的注意，并且快速地占领了光电探测领域的一席之地，广泛应用于生物研究、荧光寿命测量、激光成像雷达等领域。配合SPAD探测器阵列设计而成的读出电路，能够记录并输出应用中各像素光子被探测到的时间，进而完成成像，对探测器的性能至关重要。

读出电路(ROIC)可分为模拟和数字两个大类，由于数字式ROIC具有更好的噪声抑制、探测灵敏度、便于集成等优点，因此成为的主流的应用方式。而数字式ROIC又可以分为同步方式和异步方式，同步方式中，读出电路需要等待阵列所有像素探测结束才能对阵列进行统一操作，按照行列顺序逐一输出，导致阵列死时间较久，同时，由于弱光环境下，阵列并非每个像素都接收到光子，阵列全部输出会导致输出数据中存在大量冗余信息，造成输出速率的减慢。异步方式中，阵列中各像素均可独立工作，允许不同像素光子探测和读出同时进行，有效提高了光子的探测效率，减少了输出带宽的要求。但是由于现有的异步方式优先机制不够完善，无法缓解到达时间相近的光子的读出冲突，因此会造成部分有效光子的遗漏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SPAD探测器阵列的异步读出电路结构及其异步读出方法。

本发明SPAD探测器阵列的异步读出电路，包括计数触发或门、外部计数器、外部比较模块、控制器和m个像素内部模块，m为SPAD探测器阵列的像素个数。所述的SPAD探测器阵列的m个像素呈a行b列排布。外部比较模块为m个像素内部模块分别提供输出使能信号EN。

所述的像素内部模块包括TDC电路、淬灭电路、stay触发器和比较计数器。淬灭电路的输入引脚与对应像素内单光子雪崩二极管的输出引脚连接。TDC电路的输入引脚与淬灭电路的输出引脚连接。TDC电路的输出使能引脚与该像素内部模块对应的输出使能信号EN连接。

所述计数触发或门的m个输入端与m个像素内部模块中淬灭电路的输出引脚分别连接。外部计数器的计数使能端与计数触发或门的输出端连接。外部计数器具有n位输出。

所述的控制器具有c个行信号输入接口和d个列信号输入接口，2^c≥a+1，2^d≥b+1。SPAD探测器阵列的第p行像素内d个TDC电路输出端均与第p个行信号接法组合内的各行信号输入接口连接。第p个行信号接法组合中包括1或2或……或c个行信号输入接口。与a行像素连接的a个行信号接法组合互不完全相同；p＝1,2,……,a。

所述SPAD探测器阵列的第q列像素内c个TDC电路输出端均与第q个列信号接法组合内的各列信号输入接口连接。第q个列信号接法组合中包括1或2或……或d个列信号输入接口。与b列像素连接的b个行信号接法组合互不完全相同，q＝1,2,……,b。