專利名稱：一種單光子雪崩二極管探測器的模擬信號讀出方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二極管探測器領(lǐng)域，特別涉及一種單光子雪崩二極管探測器的模擬信號讀出方法。
背景技術(shù)：
近年來，基于電荷耦合器件(CCD,Charge Coupled Device)和CMOS有源像素圖像傳感器(CMOS APS, Active Pixel Sensor)的成像技術(shù)取得了很大的進(jìn)步,但隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，這種傳統(tǒng)成像技術(shù)的成像速度和像素靈敏度遭遇了巨大挑戰(zhàn)。越來越多的領(lǐng)域需要探測和處理極弱的高頻光信號，單光子探測逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。單光子雪崩二極管探測器(SinglePhoton Avalanche Diodes, SPAD)是一種在“蓋革”工作模式下的雪崩光電二極管，SPAD探測器兼具單光子信號探測和皮秒級時(shí)間分辨率兩大特點(diǎn)，可以在探測光子入射信號的同時(shí)獲得入射光的到達(dá)時(shí)間信息，而列陣探測器在此基礎(chǔ)上還可獲得入射光的空間信息 ，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的三維成像探測。目前，SPAD陣列探測器已成為全固態(tài)光電探測和成像技術(shù)新的發(fā)展方向。讀出電路是SPAD探測器中不可缺少的一部分，直接影響到最終的探測質(zhì)量，因此探測器對讀出電路的要求一般比較苛刻，主要涉及到靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲、功耗、響應(yīng)速度等因素。SPAD探測器通常采用傳統(tǒng)的數(shù)字信號讀出方式，每個(gè)像素單元需要一個(gè)8位以上的高速計(jì)數(shù)器和鎖存器等電路，雖然計(jì)數(shù)速度較快，可直接得到數(shù)字信號，但由于計(jì)數(shù)電路復(fù)雜，致使每個(gè)像素單元的面積過大，整個(gè)探測器陣列的集成度不高。SPAD探測器檢測光子時(shí)，光子信號和噪聲信號都會引起SPAD產(chǎn)生雪崩脈沖。在沒有光照的條件下，由各種噪聲引發(fā)的雪崩脈沖而造成的誤計(jì)數(shù)稱作暗計(jì)數(shù)，暗計(jì)數(shù)是評價(jià)單光子探測器的性能的最重要參數(shù)，直接影響到探測效率，一般是在淬滅電路中通過門脈沖將其降低。但門脈沖淬滅要求光子信號與門脈沖信號完全同步，對這一點(diǎn)很難精確實(shí)現(xiàn)，而且也只是消除了脈沖時(shí)間內(nèi)的暗計(jì)數(shù)，最后依然有少量暗計(jì)數(shù)信號被送入讀出電路中。針對傳統(tǒng)SPAD探測器數(shù)字讀出方式的缺點(diǎn)，我們提出一種模擬信號的讀出方法，即對SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖信號采用模擬信號計(jì)數(shù)，不但能大大提高SPAD探測器陣列的集成度，而且可以增加讀出的動(dòng)態(tài)范圍和減小暗計(jì)數(shù)的影響。針對單光子雪崩二極管探測器(SPAD)，本發(fā)明提出了一種新型的模擬信號讀出方法，包括線性計(jì)數(shù)讀出和對數(shù)計(jì)數(shù)讀出兩種方式，同時(shí)通過兩次模擬信號讀取可消除SPAD探測器的暗計(jì)數(shù)。該讀出方法可應(yīng)用于高集成度SPAD成像器件作為信號的讀出方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對單光子雪崩二極管探測器提出了一種新穎的模擬信號讀出方法，該方法是由復(fù)位電路，計(jì)數(shù)電路和信號讀出電路實(shí)現(xiàn)，原理示意圖如圖1所示。復(fù)位電路由電容C和單路開關(guān)Kl組成；計(jì)數(shù)電路由線性計(jì)數(shù)和對數(shù)計(jì)數(shù)電路以及單路開關(guān)K2和雙路開關(guān)K3組成；信號讀出電路由電壓跟隨器和單路開關(guān)K4組成。輸入信號經(jīng)單路開關(guān)K2后分兩條支路，分別引入線性計(jì)數(shù)電路和對數(shù)計(jì)數(shù)電路，兩支計(jì)數(shù)電路與雙路開關(guān)K3的雙端相連，Κ3的另一端引出兩支計(jì)數(shù)電路，并與電容C的下極板相連。電容C的上極板與電源vdd相連，并且單路開關(guān)Kl的兩端與電容C兩端并聯(lián)。電容C的下極板經(jīng)單路開關(guān)Κ4后連接到電壓跟隨器，通過電壓跟隨器輸出電容C下極板上的模擬信號。具體的讀出方法和過程如下:
(I)復(fù)位階段:在進(jìn)行光子信號探測之前，單路開關(guān)Kl閉合，單路開關(guān)Κ2和Κ4斷開，電容C被充電，經(jīng)過短暫時(shí)間后開關(guān)Kl斷開，電容C兩端的電壓被充電到電源電壓值。(2)計(jì)數(shù)階段:復(fù)位完成以后，SPAD開始對光子信號進(jìn)行探測，產(chǎn)生雪崩脈沖信號，單路開關(guān)Κ2閉合，單路開關(guān)Kl和Κ4斷開。當(dāng)雪崩脈沖輸入到計(jì)數(shù)電路，每來一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)電路導(dǎo)通一次，電容C放電一次。電容C上的電荷量隨著雪崩脈沖的個(gè)數(shù)增加而逐漸減小，電壓也隨之降低。雙路開關(guān)Κ3可以選擇計(jì)數(shù)電路的工作方式。當(dāng)選擇線性計(jì)數(shù)方式時(shí)，電容C上的電荷量隨著輸入的雪崩脈沖數(shù)增加而線性的減小，電容C上的電壓也隨輸入脈沖個(gè)數(shù)增加而呈線性關(guān)系降低；當(dāng)選擇對數(shù)計(jì)數(shù)方式時(shí)，電容C上的電荷量隨著輸入雪崩脈沖數(shù)增加而呈對數(shù)關(guān)系的減小，電容C上的電壓也隨輸入脈沖個(gè)數(shù)增加而呈對數(shù)關(guān)系降低。(3)信號讀出階段:當(dāng)SPAD對光子信號完成探測，單路開關(guān)Κ2斷開，單路開關(guān)Kl也仍然斷開，單路開關(guān)Κ4閉合，電容C上的電壓值通過電壓跟隨器讀出。讀出的模擬電壓值大小可反映出SPAD探測器在光子探測期間所產(chǎn)生的雪崩脈沖個(gè)數(shù)，通過雪崩脈沖個(gè)數(shù)可計(jì)算得到入射到SPAD探測器上的光子數(shù)目。此外，采用以上提出的模擬信號讀出方法，分別在曝光之前和曝光之后對SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖計(jì)數(shù)和讀出，將兩次得到的模擬計(jì)數(shù)值進(jìn)行相減來消除暗計(jì)數(shù)的影響，可準(zhǔn)確得到所探測到的光子數(shù)，具體步驟是:
曝光之前，SPAD接收不到光子，SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖為暗計(jì)數(shù)，經(jīng)過一段時(shí)間計(jì)數(shù)后讀出電容C上的電壓值，計(jì)算所探測到的光子計(jì)數(shù)為Yl ;
曝光之后，SPAD接收到光子，SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖包括光子引發(fā)的脈沖和暗計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)過相同一段時(shí)間計(jì)數(shù)后讀出電容C上的電壓值，計(jì)算所探測到的光子計(jì)數(shù)和暗計(jì)數(shù)之和為Y 2 ;則得到消除暗計(jì)數(shù)影響的光子計(jì)數(shù)為Y = Y 2— Υ I。本發(fā)明針對單光子雪崩二極管探測器(SPAD)提出了一種新穎的模擬信號讀出方法，它能對SPAD產(chǎn)生的雪崩信號進(jìn)行線性和對數(shù)兩種模式的模擬計(jì)數(shù)，可提高探測器陣列的集成度和信號的讀出動(dòng)態(tài)范圍。此外，可采用對曝光前后兩次讀出的模擬信號進(jìn)行相減的方法來消除暗計(jì)數(shù)的影響，可以準(zhǔn)確得到光子計(jì)數(shù)。有益效果:本發(fā)明所述SPAD探測器的模擬信號讀出方法相對于傳統(tǒng)的數(shù)字信號讀出方法，主要存在以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):
(I)集成度高。讀出電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的晶體管數(shù)量較少，能明顯減小每個(gè)SPAD像素單元的面積，從而大幅度提高SPAD成像器件的集成度。同時(shí)對讀出的模擬信號可利用現(xiàn)有成熟的CMOS-APS成像器件的陣列架構(gòu)和外圍的讀出控制電路進(jìn)行處理，為大規(guī)模陣列的設(shè)計(jì)提供可能。(2)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。本發(fā)明可對探測器曝光之前和曝光之后的雪崩脈沖進(jìn)行兩次模擬信號的讀出，然后進(jìn)行相減來消除暗計(jì)數(shù)的影響，提高了光子計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。
(3)計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍大。根據(jù)光子數(shù)目多少和速度快慢，可選擇線性和對數(shù)兩種讀出方式，相比較于傳統(tǒng)的數(shù)字讀出方法，能大幅度提高SPAD探測器的計(jì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍。


圖1是本發(fā)明提出的單光子雪崩二極管探測器的模擬信號讀出方法原理圖。圖2是圖1提出的模擬信號讀出方法的具體實(shí)現(xiàn)電路。圖3是圖2中控制信號的時(shí)序圖。圖4是按照圖2電路仿真得到的線性計(jì)數(shù)IO3次的結(jié)果。圖5是按照圖2電路仿真得到的對數(shù)計(jì)數(shù)IO4次的結(jié)果。圖6是本發(fā)明提出的單光子雪崩二極管探測器的陣列架構(gòu)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例一
(一)根據(jù)本發(fā)明提出的SPAD探測器模擬信號讀出方法分別設(shè)計(jì)了如圖3所示的具體電路，包括 6 個(gè) PMOS 管(Ml、M3、MQl、MQ2、MQ3、MQ4)、8 個(gè) NMOS 管(M2、M4、M5、MNl、MN2、MN3、MN4、MN5)和I個(gè)電容(C)。5個(gè)MOS開關(guān)管(Ml、M2、M3、M4、M5)，它們分別被信號switchl switch4所控制，switchl、switch2、switch4控制信號的時(shí)序圖如圖3所示，swich3決定計(jì)數(shù)模式。具體的讀出方法和過程如下:
(I)復(fù)位階段:在進(jìn)行光子信號探測之前，switchl為低電平，開關(guān)管Ml閉合，電容C的下極板連接至電源，電容C被充電，在經(jīng)過一段時(shí)間后電容C兩端的電壓被充電到電源電壓值。在復(fù)位階段，switch2和switch4均為低電平，開關(guān)管M2和M5斷開，輸入端口和輸出端口的信號不會引起電容上的電荷量變化。(2)計(jì)數(shù)階段:復(fù)位完成以后，SPAD探測器開始對光子信號進(jìn)行探測，產(chǎn)生雪崩脈沖信號。switchl變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管Ml斷開，電源不再對電容C進(jìn)行充電。此時(shí)switch2變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管M2閉合，SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖信號開始輸入計(jì)數(shù)電路。每當(dāng)有一個(gè)雪崩脈沖輸入時(shí)，計(jì)數(shù)電路導(dǎo)通I次，電容C則開始放電一次。由于每次輸入的雪崩脈沖信號波形相同，每計(jì)數(shù)一次電容C的放電量都相等。所以在一段時(shí)間內(nèi)電容C上的電壓改變值A(chǔ)Vcap與這段時(shí)間內(nèi)SPAD探測到的光子數(shù)量呈比例。switch3信號決定對輸入雪崩脈沖計(jì)數(shù)的方式。當(dāng)switch3信號為高電平時(shí)，開關(guān)管M3關(guān)斷而M4導(dǎo)通，雪崩脈沖信號送入通過MQ4和麗3組成的反相器送入麗2柵極，此時(shí)計(jì)數(shù)電路工作在線性計(jì)數(shù)方式，電容C上的電荷量隨著輸入的雪崩脈沖數(shù)增加而線性的減小，電容C上的電壓也隨輸入脈沖個(gè)數(shù)增加而呈線性關(guān)系降低；當(dāng)switch3信號為低電平時(shí)，開關(guān)管M3導(dǎo)通而M4關(guān)斷，雪崩脈沖信號送入MQ3柵端，MQl和MQ2都工作于亞閾值區(qū)，此時(shí)計(jì)數(shù)電路工作在對數(shù)計(jì)數(shù)方式，C電容上的電荷量隨著輸入雪崩脈沖數(shù)增加而呈對數(shù)關(guān)系的減小，C電容上的電壓也隨輸入脈沖個(gè)數(shù)增加而呈對數(shù)關(guān)系降低。在計(jì)數(shù)階段，switch4信號一直為低電平，開關(guān)管M5斷開，電容C上的電壓信號不被讀出。(3)信號讀出階段:
當(dāng)SPAD探測器對光信號完成探測，switch2變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管M2斷開，SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖信號不再輸入到計(jì)數(shù)電路。switchl仍為高電平，開關(guān)管Ml斷開，電源不會對電容C進(jìn)行充電。此時(shí)switch4變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管M5閉合，電容C上的電壓值通過電壓跟隨器讀出。讀出的模擬電壓值大小可反映出SPAD器件在光子探測期間所產(chǎn)生的雪崩脈沖個(gè)數(shù)，通過雪崩脈沖個(gè)數(shù)可計(jì)算得到入射到SPAD器件上的光子數(shù)目。對本發(fā)明提出的模擬信號讀出方法實(shí)現(xiàn)的具體電路(圖2所示)進(jìn)行了仿真。當(dāng)選擇線性計(jì)數(shù)方式時(shí)，得到如圖4所示的線性計(jì)數(shù)IO3次的讀出電壓仿真結(jié)果。當(dāng)電容C分別為400fF、800fF和2pF時(shí)，都能得到良好的線性計(jì)數(shù)結(jié)果。且隨著電容的增加，線性計(jì)數(shù)的范圍增大。而選擇對數(shù)計(jì)數(shù)方式時(shí)，得到如圖5所示的對數(shù)計(jì)數(shù)IO4次的讀出電壓仿真結(jié)果。當(dāng)電容分別為400fF和2pF時(shí)都能得到良好的對數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果，且對數(shù)計(jì)數(shù)范圍明顯大于線性計(jì)數(shù)方式。相對于傳統(tǒng)的數(shù)字電路讀出方法，提出的模擬信號讀出方法都能明顯提高動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)范圍，并可以根據(jù)光子數(shù)的多少來選擇計(jì)數(shù)的方式。(二)SPAD探測器噪聲的表現(xiàn)方式主要體現(xiàn)在暗計(jì)數(shù)上，暗計(jì)數(shù)是SPAD在完全沒有光照的情況下產(chǎn)生的雪崩脈沖計(jì)數(shù)。噪聲的大小直接影響CMOS圖像傳感器對信號的采集和處理。對于SPAD探測器，產(chǎn)生暗計(jì)數(shù)的條件一般為暗載流子生成并成功觸發(fā)雪崩，無論噪聲電流的強(qiáng)弱，引起的宏觀表現(xiàn)都是一次雪崩脈沖計(jì)數(shù)。本發(fā)明可對探測器曝光之前和曝光之后的模擬信號計(jì)數(shù)和讀出，然后將兩次讀出的結(jié)果相減來消除暗計(jì)數(shù)的影響，得到相對準(zhǔn)確的光子計(jì)數(shù)，具體步驟是:
曝光之前，SPAD接收不到光子，SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖為暗計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)過一段時(shí)間計(jì)數(shù)后讀出電容C上的電壓值，計(jì)算所探測到的暗計(jì)數(shù)為Yl ;
曝光之后，SPAD接收到光子，SPAD產(chǎn)生雪崩脈沖，經(jīng)過相同一段時(shí)間計(jì)數(shù)后再一次讀出電容C上的電壓值，計(jì)算所探測到的光子計(jì)數(shù)和暗計(jì)數(shù)之和為Y2 ;則得到消除暗計(jì)數(shù)影響的光子計(jì)數(shù)為Y = Y 2—Y 10在一段時(shí)間內(nèi)，探測器在曝光之前讀到的光子數(shù)Y I 一定是在完全沒有接收到任何光子的狀態(tài)下得到的，同時(shí)要確保曝光之前和曝光之后對探測器產(chǎn)生的雪崩脈沖是在相同時(shí)間計(jì)數(shù)和輸出，這樣才能消除暗計(jì)數(shù)的影響。(三)采用本發(fā)明提出的SPAD探測器的模擬信號讀出方法，讀出電路的規(guī)模可大幅度降低，可以利用現(xiàn)有成熟的CMOS -APS成像器件的陣列架構(gòu)組成大規(guī)模成像陣列。圖6是本發(fā)明提出的單光子雪崩二極管探測器的陣列架構(gòu)，包括SPAD像素陣列，行、列選擇器，定時(shí)控制器，模擬信號處理器等四個(gè)部分。SPAD像素陣列是一個(gè)二維可尋址的圖像傳感器陣列。通過行和列選擇器地址譯碼后選擇對應(yīng)的SPAD像素單元并讀出計(jì)數(shù)后的模擬信號，送入模擬信號處理器進(jìn)行后續(xù)的處理可得到光子計(jì)數(shù)結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種單光子雪崩二極管探測器的模擬信號讀出方法，其特征在于:該方法是由復(fù)位電路，計(jì)數(shù)電路和信號讀出電路實(shí)現(xiàn)；復(fù)位電路由電容C和單路開關(guān)Kl組成；計(jì)數(shù)電路由線性計(jì)數(shù)和對數(shù)計(jì)數(shù)電路以及單路開關(guān)K2和雙路開關(guān)K3組成；信號讀出電路由電壓跟隨器和單路開關(guān)K4組成；輸入信號經(jīng)單路開關(guān)K2后分兩條支路，分別引入線性計(jì)數(shù)電路和對數(shù)計(jì)數(shù)電路，兩支計(jì)數(shù)電路與雙路開關(guān)K3的雙端相連，K3的另一端引出兩支計(jì)數(shù)電路，并與電容C的下極板相連；電容C的上極板與電源vdd相連，并且單路開關(guān)Kl的兩端與電容C兩端并聯(lián)；電容C的下極板經(jīng)單路開關(guān)K4后連接到電壓跟隨器，通過電壓跟隨器輸出電容C下極板上的模擬信號；其具體讀出方法和過程為: (1)復(fù)位階段:在進(jìn)行光子信號探測之前，單路開關(guān)Kl閉合，單路開關(guān)K2和K4斷開，電容C被充電，經(jīng)過短暫時(shí)間后開關(guān)Kl斷開，電容C兩端的電壓被充電到電源電壓值； (2)計(jì)數(shù)階段:復(fù)位完成以后，SPAD開始對光子信號進(jìn)行探測，產(chǎn)生雪崩脈沖信號，單路開關(guān)K2閉合，單路開關(guān)Kl和K4斷開；當(dāng)雪崩脈沖輸入到計(jì)數(shù)電路，每來一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)電路導(dǎo)通一次，電容C放電一次；電容C上的電荷量隨著雪崩脈沖的個(gè)數(shù)增加而逐漸減小，電壓也隨之降低；雙路開關(guān)K3可以選擇計(jì)數(shù)電路的工作方式；當(dāng)選擇線性計(jì)數(shù)方式時(shí)，電容C上的電荷量隨著輸入的雪崩脈沖數(shù)增加而線性的減小，電容C上的電壓也隨輸入脈沖個(gè)數(shù)增加而呈線性關(guān)系降低；當(dāng)選擇對數(shù)計(jì)數(shù)方式時(shí)，電容C上的電荷量隨著輸入雪崩脈沖數(shù)增加而呈對數(shù)關(guān)系的減小，電容C上的電壓也隨輸入脈沖個(gè)數(shù)增加而呈對數(shù)關(guān)系降低； (3)信號讀出階段:當(dāng)SPAD對光子信號完成探測，單路開關(guān)K2斷開，單路開關(guān)Kl也仍然斷開，單路開關(guān)K4閉合，電容C上的電壓值通過電壓跟隨器讀出；讀出的模擬電壓值大小可反映出SPAD探測器在光子探測期間所產(chǎn)生的雪崩脈沖個(gè)數(shù)，通過雪崩脈沖個(gè)數(shù)可計(jì)算得到入射到SPAD探測器上的光子數(shù)目。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子雪崩二極管探測器的模擬信號讀出方法，其特征在于:分別在曝光之前和曝光之后對SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖計(jì)數(shù)和讀出，將兩次得到的模擬計(jì)數(shù)值進(jìn)行相減來消除暗計(jì)數(shù)的影響，可準(zhǔn)確得到所探測到的光子數(shù)，其具體步驟為: 曝光之前，SPAD接收不到光子，SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖為暗計(jì)數(shù)，經(jīng)過一段時(shí)間計(jì)數(shù)后讀出電容C上的電壓值，計(jì)算所探測到的光子計(jì)數(shù)為Yl ; 曝光之后，SPAD接收到光子，SPAD產(chǎn)生的雪崩脈沖包括光子引發(fā)的脈沖和暗計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)過相同一段時(shí)間計(jì)數(shù)后讀出電容C上的電壓值，計(jì)算所探測到的光子計(jì)數(shù)和暗計(jì)數(shù)之和為Y 2 ;則得到消除暗計(jì)數(shù)影響的光子計(jì)數(shù)為Y = Y 2— Y I。
全文摘要
針對單光子雪崩二極管探測器(SPAD)，本發(fā)明提出了一種新型的模擬信號讀出方法，該方法分為復(fù)位、計(jì)數(shù)和信號讀出三個(gè)連續(xù)的過程。在復(fù)位階段，電容首先被充電到電源電壓。復(fù)位結(jié)束后進(jìn)入計(jì)數(shù)階段，SPAD探測器產(chǎn)生的雪崩脈沖信號每輸入一個(gè)，計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)一次，電容上的電荷放電一次。在一段計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)，電容上的電壓改變值與這段時(shí)間內(nèi)SPAD探測到的光子的數(shù)量成比例變化，可計(jì)算出SPAD探測到的光子數(shù)。在計(jì)數(shù)結(jié)束后，進(jìn)入信號讀出階段。通過電壓跟隨器可讀出電容上的電壓值。此外，可對探測器曝光之前和曝光之后分別進(jìn)行兩次模擬信號的計(jì)數(shù)與讀出，然后將兩次讀出的模擬信號進(jìn)行相減的方法來消除暗計(jì)數(shù)的影響，可得到準(zhǔn)確的光子計(jì)數(shù)。
文檔編號G01J11/00GK103207024SQ20131006160
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者徐躍, 郭宇鋒, 岳恒, 趙菲菲 申請人:南京郵電大學(xué)