CN103207024A - 一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法 - Google Patents

Abstract

针对单光子雪崩二极管探测器（SPAD），本发明提出了一种新型的模拟信号读出方法，该方法分为复位、计数和信号读出三个连续的过程。在复位阶段，电容首先被充电到电源电压。复位结束后进入计数阶段，SPAD探测器产生的雪崩脉冲信号每输入一个，计数电路计数一次，电容上的电荷放电一次。在一段计数时间内，电容上的电压改变值与这段时间内SPAD探测到的光子的数量成比例变化，可计算出SPAD探测到的光子数。在计数结束后，进入信号读出阶段。通过电压跟随器可读出电容上的电压值。此外，可对探测器曝光之前和曝光之后分别进行两次模拟信号的计数与读出，然后将两次读出的模拟信号进行相减的方法来消除暗计数的影响，可得到准确的光子计数。

Description

一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法

技术领域

本发明涉及一种二极管探测器领域，特别涉及一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法。

背景技术

近年来，基于电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）和CMOS有源像素图像传感器（CMOS APS，Active Pixel Sensor）的成像技术取得了很大的进步，但随着量子信息技术的发展，这种传统成像技术的成像速度和像素灵敏度遭遇了巨大挑战。越来越多的领域需要探测和处理极弱的高频光信号，单光子探测逐渐成为国内外研究的热点。

单光子雪崩二极管探测器(Single Photon Avalanche Diodes，SPAD)是一种在“盖革”工作模式下的雪崩光电二极管， SPAD探测器兼具单光子信号探测和皮秒级时间分辨率两大特点，可以在探测光子入射信号的同时获得入射光的到达时间信息，而列阵探测器在此基础上还可获得入射光的空间信息，实现对目标的三维成像探测。目前，SPAD阵列探测器已成为全固态光电探测和成像技术新的发展方向。

读出电路是SPAD探测器中不可缺少的一部分，直接影响到最终的探测质量，因此探测器对读出电路的要求一般比较苛刻，主要涉及到灵敏度、动态范围、噪声、功耗、响应速度等因素。SPAD探测器通常采用传统的数字信号读出方式，每个像素单元需要一个8位以上的高速计数器和锁存器等电路，虽然计数速度较快，可直接得到数字信号，但由于计数电路复杂，致使每个像素单元的面积过大，整个探测器阵列的集成度不高。SPAD探测器检测光子时，光子信号和噪声信号都会引起SPAD产生雪崩脉冲。在没有光照的条件下，由各种噪声引发的雪崩脉冲而造成的误计数称作暗计数，暗计数是评价单光子探测器的性能的最重要参数，直接影响到探测效率，一般是在淬灭电路中通过门脉冲将其降低。但门脉冲淬灭要求光子信号与门脉冲信号完全同步，对这一点很难精确实现，而且也只是消除了脉冲时间内的暗计数，最后依然有少量暗计数信号被送入读出电路中。针对传统SPAD探测器数字读出方式的缺点，我们提出一种模拟信号的读出方法，即对SPAD产生的雪崩脉冲信号采用模拟信号计数，不但能大大提高SPAD探测器阵列的集成度，而且可以增加读出的动态范围和减小暗计数的影响。

针对单光子雪崩二极管探测器(SPAD)，本发明提出了一种新型的模拟信号读出方法，包括线性计数读出和对数计数读出两种方式，同时通过两次模拟信号读取可消除SPAD探测器的暗计数。该读出方法可应用于高集成度SPAD成像器件作为信号的读出方法。

发明内容

本发明针对单光子雪崩二极管探测器提出了一种新颖的模拟信号读出方法，该方法是由复位电路，计数电路和信号读出电路实现，原理示意图如图1所示。复位电路由电容C和单路开关K1组成；计数电路由线性计数和对数计数电路以及单路开关K2和双路开关K3组成；信号读出电路由电压跟随器和单路开关K4组成。输入信号经单路开关K2后分两条支路，分别引入线性计数电路和对数计数电路，两支计数电路与双路开关K3的双端相连，K3的另一端引出两支计数电路，并与电容C的下极板相连。电容C的上极板与电源vdd相连，并且单路开关K1的两端与电容C两端并联。电容C的下极板经单路开关K4后连接到电压跟随器，通过电压跟随器输出电容C下极板上的模拟信号。具体的读出方法和过程如下：

（1）复位阶段：在进行光子信号探测之前，单路开关K1闭合，单路开关K2和K4断开，电容C被充电，经过短暂时间后开关K1断开，电容C两端的电压被充电到电源电压值。

（2）计数阶段：复位完成以后，SPAD开始对光子信号进行探测，产生雪崩脉冲信号，单路开关K2闭合，单路开关K1和K4断开。当雪崩脉冲输入到计数电路，每来一个脉冲，计数电路导通一次，电容C放电一次。电容C上的电荷量随着雪崩脉冲的个数增加而逐渐减小，电压也随之降低。双路开关K3可以选择计数电路的工作方式。当选择线性计数方式时，电容C上的电荷量随着输入的雪崩脉冲数增加而线性的减小，电容C上的电压也随输入脉冲个数增加而呈线性关系降低；当选择对数计数方式时，电容C上的电荷量随着输入雪崩脉冲数增加而呈对数关系的减小，电容C上的电压也随输入脉冲个数增加而呈对数关系降低。

（3）信号读出阶段：当SPAD对光子信号完成探测，单路开关K2断开，单路开关K1也仍然断开，单路开关K4闭合，电容C上的电压值通过电压跟随器读出。读出的模拟电压值大小可反映出SPAD探测器在光子探测期间所产生的雪崩脉冲个数，通过雪崩脉冲个数可计算得到入射到SPAD探测器上的光子数目。

此外，采用以上提出的模拟信号读出方法，分别在曝光之前和曝光之后对SPAD产生的雪崩脉冲计数和读出，将两次得到的模拟计数值进行相减来消除暗计数的影响，可准确得到所探测到的光子数，具体步骤是：

曝光之前，SPAD接收不到光子，SPAD产生的雪崩脉冲为暗计数，经过一段时间计数后读出电容C上的电压值，计算所探测到的光子计数为γ1；

曝光之后，SPAD接收到光子，SPAD产生的雪崩脉冲包括光子引发的脉冲和暗计数脉冲，经过相同一段时间计数后读出电容C上的电压值，计算所探测到的光子计数和暗计数之和为γ2；则得到消除暗计数影响的光子计数为γ=γ2—γ1。

本发明针对单光子雪崩二极管探测器(SPAD)提出了一种新颖的模拟信号读出方法，它能对SPAD产生的雪崩信号进行线性和对数两种模式的模拟计数，可提高探测器阵列的集成度和信号的读出动态范围。此外，可采用对曝光前后两次读出的模拟信号进行相减的方法来消除暗计数的影响，可以准确得到光子计数。

有益效果：本发明所述SPAD探测器的模拟信号读出方法相对于传统的数字信号读出方法，主要存在以下几个突出的优点：

（1）集成度高。读出电路结构简单，所用的晶体管数量较少，能明显减小每个SPAD像素单元的面积，从而大幅度提高SPAD成像器件的集成度。同时对读出的模拟信号可利用现有成熟的CMOS-APS成像器件的阵列架构和***的读出控制电路进行处理，为大规模阵列的设计提供可能。

（2）计数准确。本发明可对探测器曝光之前和曝光之后的雪崩脉冲进行两次模拟信号的读出，然后进行相减来消除暗计数的影响，提高了光子计数的准确性。

（3）计数动态范围大。根据光子数目多少和速度快慢，可选择线性和对数两种读出方式，相比较于传统的数字读出方法，能大幅度提高SPAD探测器的计数动态范围。

附图说明

图1是本发明提出的单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法原理图。

图2是图1提出的模拟信号读出方法的具体实现电路。

图3是图2中控制信号的时序图。

图4是按照图2电路仿真得到的线性计数10³次的结果。

图5是按照图2电路仿真得到的对数计数10⁴次的结果。

图6是本发明提出的单光子雪崩二极管探测器的阵列架构。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

（一）根据本发明提出的SPAD探测器模拟信号读出方法分别设计了如图3所示的具体电路，包括6个PMOS管（M1、M3、MQ1、MQ2、MQ3、MQ4）、8个NMOS管（M2、M4、M5、MN1、MN2、MN3、MN4、MN5）和1个电容（C）。5个MOS开关管（M1、M2、M3、M4、M5），它们分别被信号switch1~switch4所控制，switch1、switch2、switch4控制信号的时序图如图3所示，swich3决定计数模式。具体的读出方法和过程如下：

（1）复位阶段：在进行光子信号探测之前，switch1为低电平，开关管M1闭合，电容C的下极板连接至电源，电容C被充电，在经过一段时间后电容C两端的电压被充电到电源电压值。在复位阶段，switch2和switch4均为低电平，开关管M2和M5断开，输入端口和输出端口的信号不会引起电容上的电荷量变化。

（2）计数阶段：复位完成以后，SPAD探测器开始对光子信号进行探测，产生雪崩脉冲信号。switch1变为高电平，开关管M1断开，电源不再对电容C进行充电。此时switch2变为高电平，开关管M2闭合，SPAD产生的雪崩脉冲信号开始输入计数电路。每当有一个雪崩脉冲输入时，计数电路导通1次，电容C则开始放电一次。由于每次输入的雪崩脉冲信号波形相同，每计数一次电容C的放电量都相等。所以在一段时间内电容C上的电压改变值∆Vcap与这段时间内SPAD探测到的光子数量呈比例。switch3信号决定对输入雪崩脉冲计数的方式。当switch3信号为高电平时，开关管M3关断而M4导通，雪崩脉冲信号送入通过MQ4和MN3组成的反相器送入MN2栅极，此时计数电路工作在线性计数方式，电容C上的电荷量随着输入的雪崩脉冲数增加而线性的减小，电容C上的电压也随输入脉冲个数增加而呈线性关系降低；当switch3信号为低电平时，开关管M3导通而M4关断，雪崩脉冲信号送入MQ3栅端，MQ1和MQ2都工作于亚阈值区，此时计数电路工作在对数计数方式，C电容上的电荷量随着输入雪崩脉冲数增加而呈对数关系的减小，C电容上的电压也随输入脉冲个数增加而呈对数关系降低。在计数阶段，switch4信号一直为低电平，开关管M5断开，电容C上的电压信号不被读出。

（3）信号读出阶段：

当SPAD探测器对光信号完成探测，switch2变为低电平，开关管M2断开，SPAD产生的雪崩脉冲信号不再输入到计数电路。switch1仍为高电平，开关管M1断开，电源不会对电容C进行充电。此时switch4变为高电平，开关管M5闭合，电容C上的电压值通过电压跟随器读出。读出的模拟电压值大小可反映出SPAD器件在光子探测期间所产生的雪崩脉冲个数，通过雪崩脉冲个数可计算得到入射到SPAD器件上的光子数目。

对本发明提出的模拟信号读出方法实现的具体电路（图2所示）进行了仿真。当选择线性计数方式时，得到如图4所示的线性计数10³次的读出电压仿真结果。当电容C分别为400fF、800fF和2pF时，都能得到良好的线性计数结果。且随着电容的增加，线性计数的范围增大。而选择对数计数方式时，得到如图5所示的对数计数10⁴次的读出电压仿真结果。当电容分别为400fF和2pF时都能得到良好的对数计数结果，且对数计数范围明显大于线性计数方式。相对于传统的数字电路读出方法，提出的模拟信号读出方法都能明显提高动态计数范围，并可以根据光子数的多少来选择计数的方式。

（二）SPAD探测器噪声的表现方式主要体现在暗计数上，暗计数是SPAD在完全没有光照的情况下产生的雪崩脉冲计数。噪声的大小直接影响CMOS图像传感器对信号的采集和处理。对于SPAD探测器，产生暗计数的条件一般为暗载流子生成并成功触发雪崩，无论噪声电流的强弱, 引起的宏观表现都是一次雪崩脉冲计数。

本发明可对探测器曝光之前和曝光之后的模拟信号计数和读出，然后将两次读出的结果相减来消除暗计数的影响，得到相对准确的光子计数，具体步骤是：

曝光之前，SPAD接收不到光子，SPAD产生的雪崩脉冲为暗计数脉冲，经过一段时间计数后读出电容C上的电压值，计算所探测到的暗计数为γ1；

曝光之后，SPAD接收到光子，SPAD产生雪崩脉冲，经过相同一段时间计数后再一次读出电容C上的电压值，计算所探测到的光子计数和暗计数之和为γ2；则得到消除暗计数影响的光子计数为γ=γ2—γ1。

在一段时间内，探测器在曝光之前读到的光子数γ1一定是在完全没有接收到任何光子的状态下得到的，同时要确保曝光之前和曝光之后对探测器产生的雪崩脉冲是在相同时间计数和输出，这样才能消除暗计数的影响。

（三）采用本发明提出的SPAD探测器的模拟信号读出方法，读出电路的规模可大幅度降低，可以利用现有成熟的CMOS -APS成像器件的阵列架构组成大规模成像阵列。图6是本发明提出的单光子雪崩二极管探测器的阵列架构，包括SPAD像素阵列，行、列选择器，定时控制器，模拟信号处理器等四个部分。SPAD像素阵列是一个二维可寻址的图像传感器阵列。通过行和列选择器地址译码后选择对应的SPAD像素单元并读出计数后的模拟信号，送入模拟信号处理器进行后续的处理可得到光子计数结果。

Claims (2)

1.一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法，其特征在于：该方法是由复位电路，计数电路和信号读出电路实现；复位电路由电容C和单路开关K1组成；计数电路由线性计数和对数计数电路以及单路开关K2和双路开关K3组成；信号读出电路由电压跟随器和单路开关K4组成；输入信号经单路开关K2后分两条支路，分别引入线性计数电路和对数计数电路，两支计数电路与双路开关K3的双端相连，K3的另一端引出两支计数电路，并与电容C的下极板相连；电容C的上极板与电源vdd相连，并且单路开关K1的两端与电容C两端并联；电容C的下极板经单路开关K4后连接到电压跟随器，通过电压跟随器输出电容C下极板上的模拟信号；其具体读出方法和过程为：

（1）复位阶段：在进行光子信号探测之前，单路开关K1闭合，单路开关K2和K4断开，电容C被充电，经过短暂时间后开关K1断开，电容C两端的电压被充电到电源电压值；

（2）计数阶段：复位完成以后，SPAD开始对光子信号进行探测，产生雪崩脉冲信号，单路开关K2闭合，单路开关K1和K4断开；当雪崩脉冲输入到计数电路，每来一个脉冲，计数电路导通一次，电容C放电一次；电容C上的电荷量随着雪崩脉冲的个数增加而逐渐减小，电压也随之降低；双路开关K3可以选择计数电路的工作方式；当选择线性计数方式时，电容C上的电荷量随着输入的雪崩脉冲数增加而线性的减小，电容C上的电压也随输入脉冲个数增加而呈线性关系降低；当选择对数计数方式时，电容C上的电荷量随着输入雪崩脉冲数增加而呈对数关系的减小，电容C上的电压也随输入脉冲个数增加而呈对数关系降低；

（3）信号读出阶段：当SPAD对光子信号完成探测，单路开关K2断开，单路开关K1也仍然断开，单路开关K4闭合，电容C上的电压值通过电压跟随器读出；读出的模拟电压值大小可反映出SPAD探测器在光子探测期间所产生的雪崩脉冲个数，通过雪崩脉冲个数可计算得到入射到SPAD探测器上的光子数目。

2.根据权利要求1所述的一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法，其特征在于：分别在曝光之前和曝光之后对SPAD产生的雪崩脉冲计数和读出，将两次得到的模拟计数值进行相减来消除暗计数的影响，可准确得到所探测到的光子数，其具体步骤为：

曝光之前，SPAD接收不到光子，SPAD产生的雪崩脉冲为暗计数，经过一段时间计数后读出电容C上的电压值，计算所探测到的光子计数为γ1；

曝光之后，SPAD接收到光子，SPAD产生的雪崩脉冲包括光子引发的脉冲和暗计数脉冲，经过相同一段时间计数后读出电容C上的电压值，计算所探测到的光子计数和暗计数之和为γ2；则得到消除暗计数影响的光子计数为γ=γ2—γ1。

Images