【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本申請(qǐng)涉及電子電路領(lǐng)域，尤其涉及一種用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路及單光子探測(cè)器陣列。
技術(shù)介紹
1、在掃描主動(dòng)成像應(yīng)用中，具有像素分辨功能的單光子探測(cè)器陣列可被用于入射光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的空間位置檢測(cè)。
2、現(xiàn)有技術(shù)公開了一種采用單光子探測(cè)器陣列實(shí)現(xiàn)在弱光條件與短掃描時(shí)間下實(shí)現(xiàn)成像功能的傳感器系統(tǒng)，其通過確定光子照射在探測(cè)器陣列上的位置與光子到達(dá)時(shí)間快速確定探測(cè)物體的空間位置信息。在目前的科研領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)多像素探測(cè)器陣列的有效讀出，已經(jīng)開發(fā)了多種電路。
3、第一種方法，采用多個(gè)行/列總線進(jìn)行行選/列選操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣排列的像素進(jìn)行逐一掃描讀取，盡管這種方法不能提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取。
4、第二種方法，基于fpga?tdc技術(shù)的線陣單光子雪崩二極管(spad)成像系統(tǒng)，通過使用數(shù)據(jù)選擇器對(duì)n個(gè)像素進(jìn)行時(shí)分復(fù)用選通，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定像素的時(shí)序讀取。此系統(tǒng)將256個(gè)spad像素分為64組，每組4個(gè)像素共享一個(gè)tdc，以降低資源消耗，但這需要通過4選1的數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)序控制。
5、第三種方法是利用譯碼器對(duì)像素進(jìn)行區(qū)分，由于較高的資源需求(這種方法需要的邏輯單元和輸出端口數(shù)量通常是像素?cái)?shù)的兩倍)，它在應(yīng)用中較為少見。
6、第四種方法，每個(gè)像素集成獨(dú)立tdc的方案可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的并行處理，提升系統(tǒng)的處理速率。此方案雖然提高了對(duì)tdc資源的需求并可能降低像素填充因子，且對(duì)時(shí)序控制有更高的要求，但它優(yōu)化了數(shù)據(jù)讀取效率。該文獻(xiàn)中提出的另一種節(jié)省資源的方法是將單光子探測(cè)器
7、另一方面，上述現(xiàn)有方案均不能實(shí)現(xiàn)分辨像素的同時(shí)，區(qū)分信號(hào)事件和噪聲事件。為了區(qū)分時(shí)間相關(guān)的光子事件和暗計(jì)數(shù)等噪聲事件，人們采用時(shí)間相關(guān)符合計(jì)數(shù)(tcc)技術(shù)。它利用多像素探測(cè)器陣列捕捉幾乎同時(shí)發(fā)生的關(guān)聯(lián)光子事件，通過對(duì)多個(gè)像素產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行邏輯分析，識(shí)別并篩除背景噪聲。此方法基于有效信號(hào)光子通常具有較為集中的到達(dá)時(shí)間分布，而噪聲則表現(xiàn)為隨機(jī)時(shí)間分布的光子事件這一前提。通過比較各個(gè)像素接收到的信號(hào)的時(shí)間序列，可以確定某一信號(hào)是否應(yīng)被歸類為噪聲。在弱光探測(cè)環(huán)境下，單光子探測(cè)器(spad)陣列捕捉到相關(guān)光子事件的概率相對(duì)較低，這可能導(dǎo)致多個(gè)關(guān)聯(lián)像素不能同步響應(yīng)光信號(hào)，進(jìn)而造成時(shí)間相關(guān)符合計(jì)數(shù)系統(tǒng)錯(cuò)誤地將有效光子事件誤判為噪聲。
8、為了實(shí)現(xiàn)像素分辨的同時(shí)進(jìn)行噪聲抑制，現(xiàn)有技術(shù)公開了一種基于超導(dǎo)納米線的多光子事件探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)通過外部的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器(tcspc)系統(tǒng)，在一定時(shí)間窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)光子到達(dá)的數(shù)目與時(shí)間差異，并以此來確定像素位置，實(shí)現(xiàn)光子數(shù)量與符合事件的準(zhǔn)確鑒別。該系統(tǒng)采用了一種延遲線讀出技術(shù)，利用納米線制成的螺旋微帶傳輸線結(jié)構(gòu)，將空間分布的信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間延遲的信號(hào)，并通過tcspc進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種方法能夠通過符合計(jì)數(shù)邏輯有效區(qū)分光子事件和噪聲事件，即通過設(shè)定的時(shí)間窗口來排除非目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)還能夠推斷出光子的到達(dá)時(shí)間和位置信息。盡管如此，這種基于延遲線的讀出技術(shù)對(duì)于微波傳輸線的尺寸有一定要求，通常導(dǎo)致器件體積較大，難以實(shí)現(xiàn)高密度集成。
9、綜上所述，適應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)中在弱光探測(cè)環(huán)境下，單光子探測(cè)器(spad)陣列捕捉到相關(guān)光子事件的概率相對(duì)較低，這可能導(dǎo)致多個(gè)關(guān)聯(lián)像素不能同步響應(yīng)光信號(hào)，進(jìn)而造成時(shí)間相關(guān)符合計(jì)數(shù)系統(tǒng)錯(cuò)誤地將有效光子事件誤判為噪聲，以及基于延遲線的讀出技術(shù)對(duì)于微波傳輸線的尺寸有一定要求，通常導(dǎo)致器件體積較大，難以實(shí)現(xiàn)高密度集成等問題，本申請(qǐng)人出于解決該問題的考慮作出相應(yīng)的探索。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本申請(qǐng)的目的在于解決上述問題而提供一種用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路及單光子探測(cè)器陣列。
2、為滿足本申請(qǐng)的各個(gè)目的，本申請(qǐng)采用如下技術(shù)方案：
3、適應(yīng)本申請(qǐng)的目的之一而提出的一種用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，包括：
4、像素讀取電路，所述像素讀取電路由上部分的延時(shí)單元τ1至τn、脈沖壓縮整形電路、n輸入或門組成，其用于spad信號(hào)的讀出并區(qū)分像素索引，通過空間上的n個(gè)端口采用獨(dú)立的tdc采集信號(hào)，將n個(gè)端口輸入的并行spad信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)，以進(jìn)行多像素分辨；
5、符合計(jì)數(shù)電路，所述符合計(jì)數(shù)電路由下部分的觸發(fā)器、與門、非門以及延時(shí)單元所組成，其用于在一定時(shí)間內(nèi)探測(cè)到兩個(gè)或兩個(gè)以上按照2n-1規(guī)律分布的跳變沿時(shí)，將其確定為有用信號(hào)。
6、可選的，對(duì)于全集成式單光子探測(cè)器陣列，所述像素讀取電路中的延時(shí)單元τ1至τn對(duì)spad像素的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行延時(shí)編碼，編碼權(quán)重為2n-1，根據(jù)任意兩個(gè)信號(hào)事件的時(shí)間差確定其相對(duì)應(yīng)的像素索引。
7、可選的，確定所述像素讀取電路中的觸發(fā)信號(hào)的周期δt，在所述觸發(fā)信號(hào)的周期δt內(nèi)進(jìn)行多像素分辨，所述像素讀取電路中的延時(shí)單元選取的最大延時(shí)τn滿足τn<δt-tx，其中，tx為數(shù)據(jù)采集和傳輸所需的總時(shí)間，其對(duì)應(yīng)的最大延時(shí)單元數(shù)為n＝log2(τn/3tjitter)+1，所述tjitter表征spad的時(shí)間抖動(dòng)。
8、可選的，n個(gè)延時(shí)編碼信號(hào)經(jīng)過所述脈沖壓縮整形電路，其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，再通過多輸入“或”門或查找表的方式，將所述數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行輸出的延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)，將所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)輸入至所述符合計(jì)數(shù)電路中，以區(qū)分光子信號(hào)事件和噪聲事件。
9、可選的，所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)經(jīng)第一t觸發(fā)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出的信號(hào)p2分成兩路，一路直接輸出至tdc作為stop信號(hào)，另一路輸入至第二t觸發(fā)器，tdc對(duì)p2點(diǎn)的跳變沿進(jìn)行采集，并記錄上升沿和下降沿時(shí)間，所述跳變沿包括上升沿或下降沿。
10、可選的，p2點(diǎn)的一個(gè)跳變沿對(duì)應(yīng)一個(gè)像素響應(yīng)，當(dāng)在時(shí)間窗口內(nèi)出現(xiàn)一次所述上升沿時(shí)，表征至少有任意兩個(gè)像素同時(shí)響應(yīng)，將其判定為光響應(yīng)事件，若只出現(xiàn)一次下降沿，則將其確定為噪聲事件。
11、可選的，當(dāng)在時(shí)間窗口內(nèi)p2點(diǎn)出現(xiàn)一次所述上升沿后，所述第二t觸發(fā)器輸出p3點(diǎn)翻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑⑤斎胫料乱患?jí)的jk觸發(fā)器，所述jk觸發(fā)器輸出p4點(diǎn)置高并維持至復(fù)位信號(hào)到來后置低；
12、若對(duì)任意兩個(gè)以上的spad像素進(jìn)行符合計(jì)數(shù)，通過記錄所述第一t觸發(fā)器的邊沿跳變次數(shù)，觸發(fā)所述第二t觸發(fā)器置高，以使tdc讀出所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間。
13、可選的，fpga可編程門陣列讀取tdc采集到的所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間，確定單光子探測(cè)器陣列中光子到達(dá)數(shù)量以及像素位置信息，基于所述光子到達(dá)數(shù)量以及像素位置信息進(jìn)行多光子數(shù)分辨。
14、可選的，所述用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路的測(cè)時(shí)分辨率滿足：tsys＝(tjitter2+tres2)1/2，其中，所述tres表征tdc的時(shí)間分辨率。
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1.一種用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，對(duì)于全集成式單光子探測(cè)器陣列，所述像素讀取電路中的延時(shí)單元τ1至τN對(duì)SPAD像素的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行延時(shí)編碼，編碼權(quán)重為2N-1，根據(jù)任意兩個(gè)信號(hào)事件的時(shí)間差確定其相對(duì)應(yīng)的像素索引。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，確定所述像素讀取電路中的觸發(fā)信號(hào)的周期ΔT，在所述觸發(fā)信號(hào)的周期ΔT內(nèi)進(jìn)行多像素分辨，所述像素讀取電路中的延時(shí)單元選取的最大延時(shí)τN滿足τN<ΔT-tx，其中，tx為數(shù)據(jù)采集和傳輸所需的總時(shí)間，其對(duì)應(yīng)的最大延時(shí)單元數(shù)為N＝log2(τN/3tjitter)+1，所述tjitter表征SPAD的時(shí)間抖動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，N個(gè)延時(shí)編碼信號(hào)經(jīng)過所述脈沖壓縮整形電路，其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，再通過多輸入“或”門或查找表的方式，將所述數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行輸出的延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)，將所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)輸入至所述符合計(jì)
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)經(jīng)第一T觸發(fā)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出的信號(hào)P2分成兩路，一路直接輸出至TDC作為Stop信號(hào)，另一路輸入至第二T觸發(fā)器，TDC對(duì)P2點(diǎn)的跳變沿進(jìn)行采集，并記錄上升沿和下降沿時(shí)間，所述跳變沿包括上升沿或下降沿。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，P2點(diǎn)的一個(gè)跳變沿對(duì)應(yīng)一個(gè)像素響應(yīng)，當(dāng)在時(shí)間窗口內(nèi)出現(xiàn)一次所述上升沿時(shí)，表征至少有任意兩個(gè)像素同時(shí)響應(yīng)，將其判定為光響應(yīng)事件，若只出現(xiàn)一次下降沿，則將其確定為噪聲事件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6任意一項(xiàng)所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，當(dāng)在時(shí)間窗口內(nèi)P2點(diǎn)出現(xiàn)一次所述上升沿后，所述第二T觸發(fā)器輸出P3點(diǎn)翻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑⑤斎胫料乱患?jí)的JK觸發(fā)器，所述JK觸發(fā)器輸出P4點(diǎn)置高并維持至復(fù)位信號(hào)到來后置低；
8.根據(jù)權(quán)利要求7任意一項(xiàng)所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，F(xiàn)PGA可編程門陣列讀取TDC采集到的所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間，確定單光子探測(cè)器陣列中光子到達(dá)數(shù)量以及像素位置信息，基于所述光子到達(dá)數(shù)量以及像素位置信息進(jìn)行多光子數(shù)分辨。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，所述用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路的測(cè)時(shí)分辨率滿足：tsys＝(tjitter2+tres2)1/2，其中，所述tres表征TDC的時(shí)間分辨率。
10.一種單光子探測(cè)器陣列，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，對(duì)于全集成式單光子探測(cè)器陣列，所述像素讀取電路中的延時(shí)單元τ1至τn對(duì)spad像素的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行延時(shí)編碼，編碼權(quán)重為2n-1，根據(jù)任意兩個(gè)信號(hào)事件的時(shí)間差確定其相對(duì)應(yīng)的像素索引。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，確定所述像素讀取電路中的觸發(fā)信號(hào)的周期δt，在所述觸發(fā)信號(hào)的周期δt內(nèi)進(jìn)行多像素分辨，所述像素讀取電路中的延時(shí)單元選取的最大延時(shí)τn滿足τn<δt-tx，其中，tx為數(shù)據(jù)采集和傳輸所需的總時(shí)間，其對(duì)應(yīng)的最大延時(shí)單元數(shù)為n＝log2(τn/3tjitter)+1，所述tjitter表征spad的時(shí)間抖動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，n個(gè)延時(shí)編碼信號(hào)經(jīng)過所述脈沖壓縮整形電路，其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，再通過多輸入“或”門或查找表的方式，將所述數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行輸出的延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)，將所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)輸入至所述符合計(jì)數(shù)電路中，以區(qū)分光子信號(hào)事件和噪聲事件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于多像素分辨的符合計(jì)數(shù)讀出電路，其特征在于，所述延時(shí)編碼時(shí)序信號(hào)經(jīng)第一t觸發(fā)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出的信號(hào)p2分成兩路，一路直接輸出至tdc作為stop信號(hào)，另一路輸入至第二t觸...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐嘉銘，劉爍韓，顏林，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：季華實(shí)驗(yàn)室，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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