CN112154354A - 无创可穿戴脑接口*** - Google Patents

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CN112154354A CN201880093514.2A CN201880093514A CN112154354A CN 112154354 A CN112154354 A CN 112154354A CN 201880093514 A CN201880093514 A CN 201880093514A CN 112154354 A CN112154354 A CN 112154354A
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H·卡特纳尼
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Abstract

一种示例性无创可穿戴脑接口***包括头戴式设备和多个独立的光电检测器单元，所述头戴式设备被配置为被穿戴在用户的头部上，所述多个独立的光电检测器单元被配置为能移除地附接到所述头戴式设备。所述光电检测器单元各自包括多个光电检测器，所述多个光电检测器被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子。所述脑接口***还包括主控制单元，所述主控制单元通过多条电线被通信地耦合到所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元并被配置为控制所述光电检测器单元，所述主控制单元包括输入电源端口，所述输入电源端口被配置为连接到电源线，所述电源线从电源向所述主控制单元和所述光电检测器单元提供电力。

Description

无创可穿戴脑接口***
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年10月31日提交的PCT国际申请PCT/US18/58580的优先权，该申请要求于2018年7月31日提交的美国专利申请US16/051462的优先权，该申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年5月17日提交的美国临时专利申请US 62/673065和于2018年6月20日提交的美国临时专利申请US 62/687659的优先权。通过引用将这些申请各自以其整体并入本文。
背景技术
对于医学诊断、成像、神经工程、脑-计算机接口以及各种其他诊断和与消费者有关的应用来说，检测脑中的神经活动是有用的。例如，可能期望检测患者的脑中的神经活动，以确定脑的特定区域是否受到血液冲洗减少、出血或任何其他类型的损害的影响。作为另一示例，可能期望检测用户的脑中的神经活动并将检测到的神经活动通过计算解码成能够用于(例如通过控制计算机屏幕上的光标，更改电视上的频道，打开灯等)控制各种类型的消费者电子器件的命令。
能够检测单个光子(即，单个光能粒子)的光电检测器是能够用于检测脑内神经活动的无创检测器的示例。例如，这些灵敏的光电检测器的阵列能够记录响应于一个或多个光脉冲的施加而从脑内组织反射回来的光子。基于由光电检测器检测光子所花费的时间，能够确定或推断脑的神经活动和其他属性。
采用基于半导体的单光子雪崩二极管(SPAD)的光电检测器能够以很高的到达时间分辨率(几十皮秒)捕获个体光子。当光子被SPAD吸收时，它们的能量将结合的电荷载体(电子和空穴)释放成自由载体对。在存在由施加到二极管的反向偏置电压创建的电场的情况下，这些自由载体通过SPAD的被称为倍增区域的区域被加速。当自由载体行进通过倍增区域时，它们与结合在半导体的原子晶格中的其他载体发生碰撞，从而通过被称为碰撞电离的过程生成更多的自由载体。这些新的自由载体也会由于施加的电场而被加速并生成更多的自由载体。能够检测到该雪崩事件并将其用于确定光子的到达时间。
为了能够检测单个光子，利用反向偏置电压来偏置SPAD，该反向偏置电压的幅值大于其击穿电压，在该击穿电压之上，自由载体的生成能够自我维持并引起失控的雪崩。SPAD的这种偏置被称为装备设备。当对SPAD装备时，通过吸收单个光子所创建的单个自由载体对能够创建失控的雪崩，从而产生易于检测的宏观电流。
常规的SPAD架构通过利用由有源电压源生成的门控信号选择性地偏置SPAD来对SPAD进行门控(即，对SPAD进行装备和装备解除)。使用有源电压源对SPAD进行门控可能会不利地将噪声引入光电检测器输出，消耗相对大量的功率，在邻近的SPAD架构内引入电源电压纹波，并且引起其他不期望的效应。
附图说明
附图图示了各种实施例并且是说明书的部分。所图示的实施例仅是示例并且不限制本公开的范围。在所有附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。
图1示出了本领域中已知的常规的SPAD架构。
图2图示了根据本文描述的原理的示例性快速门控光电检测器中包括的各种部件。
图3A图示了根据本文描述的原理的示例性光电检测器***。
图3B示出了根据本文描述的原理的实施光电检测器***的示例性无创可穿戴脑接口***。
图4A示出了可以在本文描述的光电检测器架构中使用的示例性SPAD电路。
图4B示出了可以在本文描述的光电检测器架构中使用的另一示例性SPAD电路。
图5是图示根据本文描述的原理的图4A的SPAD电路的示例性操作模式的流程图。
图6-7示出了图4A的SPAD电路的示例性开关状态。
图8示出了图示根据本文描述的原理的光脉冲的发生与可编程门延迟之间的关系的示例性定时图。
图9A-9F示出了可以实施本文描述的任何开关的各种电路。
图10A图示了根据本文描述的原理的逆变器的示例性实施方式。
图10B图示了根据本文描述的原理的比较器的示例性实施方式。
图11A示出了可以在本文描述的光电检测器架构中使用的另一示例性SPAD电路。
图11B示出了可以在本文描述的光电检测器架构中使用的另一示例性SPAD电路。
图12是图示根据本文描述的原理的图11A的SPAD电路的示例性操作模式的流程图。
图13-14示出了图11A的SPAD电路的示例性开关状态。
图15-20示出了图11A的SPAD电路的替代性电路拓扑结构。
图21图示了根据本文描述的原理的示例性方法。
图22图示了根据本文描述的原理的另一示例性方法。
图23-29图示了根据本文描述的原理的示例性无创可穿戴脑接口***。
具体实施方式
本文描述了无创可穿戴脑接口***。例如，示例性无创可穿戴脑接口***包括头戴式设备和多个独立的光电检测器单元，所述头戴式设备被配置为被穿戴在用户的头部上，所述多个独立的光电检测器单元被配置为(例如通过适配在所述头戴式设备中包括的切口内，附接到所述头戴式设备的突起或嵌入壳体，或者以任何其他合适的方式)能移除地附接到所述头戴式设备。所述光电检测器单元各自包括多个光电检测器，所述多个光电检测器被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子。所述脑接口***还包括主控制单元，所述主控制单元通过多条电线被通信地耦合到所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元并被配置为控制所述光电检测器单元，所述主控制单元包括输入电源端口，所述输入电源端口被配置为连接到电源线，所述电源线从电源向所述主控制单元和所述光电检测器单元提供电力。
另一示例性无创可穿戴脑接口***包括头戴式设备和多个独立的光电检测器单元，所述头戴式设备被配置为被穿戴在用户的头部上，所述多个独立的光电检测器单元被配置为能移除地附接到所述头戴式设备。所述光电检测器单元各自包括多个光电检测器，所述多个光电检测器被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子。所述多个光电检测器中包括的光电检测器包括SPAD和电容器。所述电容器被配置为当所述SPAD处于装备解除状态时利用通过电压源施加的偏置电压来充电。所述电容器还被配置为当所述SPAD被置于装备状态时将所述偏置电压供应给所述SPAD的输出节点，使得所述SPAD两端的电压大于所述SPAD的击穿电压。
另一示例性无创可穿戴脑接口***包括头戴式设备和多个独立的光电检测器单元，所述头戴式设备被配置为被穿戴在用户的头部上，所述多个独立的光电检测器单元被配置为能移除地附接到所述头戴式设备并适配在所述头戴式设备中包括的切口内。所述光电检测器单元各自包括光源和多个光电检测器，所述光源被配置为生成光，所述多个光电检测器被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子。所述脑接口***还包括主控制单元，所述主控制单元通过多条电线被通信地耦合到所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元并被配置为控制所述光电检测器单元。所述脑接口***还包括电源，所述电源被配置为：被从所述用户的所述头部脱掉，通过电源线被连接到所述主控制单元，并且向所述主控制单元和所述光电检测器单元提供电力。
与常规的脑接口***相比，本文描述的无创可穿戴脑接口***提供了各种益处和优点。例如，无创可穿戴脑接口***可以有效地检测用户的脑中的神经活动，同时使用户穿戴起来既方便又相对舒适。例如，用户可以在用户进行日常活动(例如，步行、锻炼、工作等)时穿戴本文描述的无创可穿戴脑接口***。本文描述的无创可穿戴脑接口***还可以提供结合本文描述的快速门控光电检测器架构所描述的各种益处并提供“实时”神经测量。
本文还描述了快速门控光电检测器架构。本文描述的光电检测器架构可以由本文描述的无创可穿戴脑接口***来实施，并且能够用于快速门控SPAD，同时使死时间、后脉冲、功耗和时间抖动最小化。因此，本文描述的光电检测器架构能够提高光电检测的信噪比，从而与常规的光电检测器相比提高了空间和时间分辨率。下面将更详细地描述本文描述的光电检测器架构的这些优点和其他优点。
图1示出了本领域已知的常规的SPAD架构，其可以在常规的光电检测器中使用。在图1中，由电压源VGATE生成的门控信号被施加到SPAD的输出节点。门控信号在接地与过量偏置电压之间切换。当门控信号等于接地时，SPAD两端的电压小于或等于SPAD的击穿电压，这意味着SPAD处于装备解除或“关断”状态，在这种状况下，SPAD无法雪崩。当门控信号等于过量偏置电压时，SPAD两端的电压大于SPAD的击穿电压，这意味着SPAD处于装备或“接通”状态，在这种状态下，光子能够发起在SPAD内可检测的雪崩。
当SPAD处于装备状态时，入射到SPAD上的光子可能会在SPAD内发起雪崩。当发生雪崩时，电流开始流过电容器CP以及电阻器RB和RT，这会增大SPAD阳极处的电压。这继而会降低SPAD两端的电压。当SPAD两端的电压降低到SPAD的击穿电压以下时，雪崩就会停止。该过程被称为无源抑制。
图1所示的常规的SPAD结构有许多缺点。例如，由于SPAD的门控是直接由电压源VGATE执行的，因此对SPAD装备所花费的时间不是瞬时的。而是，对SPAD装备所花费的时间取决于由电压源VGATE供应的门控信号的上升时间(即，门控信号从地到达过量偏置电压所花费的时间)。如果在门控信号的上升时间期间光子击中SPAD，则SPAD可能尚未装备，因此可能没有检测到光子。因此，在门控信号的上升时间期间由光电检测器收集的任何数据都将被破坏并且必须被丢弃。
此外，由图1所示的常规的SPAD架构执行的无源抑制是相对缓慢的过程。由于在SPAD被无源抑制时SPAD的输出节点仍然保持与电压源VGATE连接，因此在雪崩被无源抑制之前，SPAD架构会消耗相对大量的电流(并因此消耗相对大量的功率)。相对较慢的无源抑制过程也可能导致在SPAD中出现大量陷阱并产生高的后脉冲。
图1的常规的SPAD架构的另一缺点是在整个光电检测器阵列上会产生不想要的电源电压纹波。例如，光电检测器阵列中的每个光电检测器可以包括图1的常规的SPAD架构。在这种配置中，当在特定的SPAD内发生雪崩时，从SPAD的电压源(例如，VGATE)流向SPAD的大电流可能会导致由在光电检测器阵列中的其他SPAD所看到的电压上的电压变化。在给定的光电检测器阵列中，随着SPAD的数量的增大，这些电压变化会被激怒，并且可能会导致SPAD参数的变化(例如，检测光子的概率、暗电流、定时等)。
相反，本文描述的光电检测器架构中的SPAD没有直接由有源电压源(例如，电压源VGATE)来门控。而是，本文描述的示例性SPAD由电容器来门控，该电容器在提供命令对SPAD装备之前被偏置电压预先充电。利用电容器而不是利用有源电压源对SPAD进行门控具有许多优点和益处。
例如，与利用有源电压源进行门控的SPAD相比，利用电容器进行门控的SPAD实际上可以立即装备。这是因为当提供命令对SPAD装备时，已经利用偏置电压对电容器充电了。由本文描述的光电检测器架构提供的更陡峭(即，更快)的上升时间可以允许提高深度分辨率(即，可以以更高的精确度对SPAD装备，从而提高了利用针对从位于脑内的期望深度处的目标反射的光子的获取时间来确定对SPAD的装备的定时的能力)以及降低噪声(即，由于在SPAD完全转变为装备状态之前已收集了不良数据，因此必须丢弃这些不良数据)。
此外，与包括利用有源电压源进行门控并允许无源抑制的SPAD的常规的SPAD架构相比，包括利用电容器进行门控的SPAD的SPAD架构会消耗更少的电流(并且因此会消耗更少的电力)。这是因为SPAD在雪崩期间消耗的最大电流受到电容器中存储的电荷的限制。通过使SPAD架构的功耗最小化，本文描述的SPAD架构可以允许使用更小的电源为SPAD架构供电(这在可穿戴设备中是特别有利的)。此外，通过使SPAD架构的功耗最小化，对SPAD架构产生的压力随时间减小，这会使得SPAD架构内的部件的寿命更长。
利用电容器进行门控的SPAD还消除了与利用有源电压源进行门控的SPAD相关联的电源电压纹波的问题。这是因为本文描述的SPAD架构中的SPAD与所有有源电压源都解耦了。因此，本文描述的SPAD架构与相同的光电检测器阵列中包括的其他SPAD架构隔离并且不影响其性能。这种隔离可以减少计数变化并提高检测效率和灵敏度。通过下面的详细描述，本文描述的光电检测器架构可以提供的这些和其他益处和/或优点将变得显而易见。
图2图示了示例性快速门控光电检测器202中包括的各种部件。如图所示，光电检测器202包括SPAD电路204、控制电路206、时间数字转换器(TDC)208以及信号处理电路210。
SPAD电路204可以包括SPAD和被配置为一起操作以检测入射在SPAD上的光子的各种其他电子部件。如下所述，当SPAD电路204检测到光子时，SPAD电路204可以生成输出脉冲。下面将详细描述SPAD电路204的各种实施方式。
控制电路206可以由专用集成电路(ASIC)或被配置为控制SPAD电路204内的各种部件的操作的任何其他合适的电路来实施。例如，如下面将更详细地描述的，控制电路206可以输出控制逻辑，该控制逻辑控制SPAD电路204内的一个或多个开关的操作，以对SPAD电路204内的电容器进行选择性充电并将SPAD电路204中包括的SPAD置于装备状态或装备解除状态。在一些示例中，控制电路206可以控制门延迟，该门延迟指定在发生光脉冲(例如，激光脉冲)以将SPAD置于装备状态之后控制电路206等待的预定时间量。为此，控制电路206可以接收光脉冲定时信息，该光脉冲定时信息指示光脉冲发生的时间(例如，将光脉冲施加到脑内组织的时间)。控制电路206还可以控制可编程门宽，该可编程门宽指定SPAD在被装备解除之前保持处于装备状态的时间。
控制电路206还被配置为控制信号处理电路210。例如，控制电路206可以将直方图参数提供给信号处理电路210。信号处理电路210可以根据直方图参数来生成直方图数据。
TDC 208被配置为测量发生由SPAD电路204生成输出脉冲的时间与发生光脉冲的时间之间的时间差。为此，TDC 208还可以接收与控制电路206接收的光脉冲定时信息相同的光脉冲定时信息。TDC 208可以由可以用于特定实施方式的任何合适电路来实施。
信号处理电路210被配置为对由TDC 208输出的数据执行一个或多个信号处理操作。例如，信号处理电路210可以基于由TDC 208输出的数据并根据由控制电路206提供的直方图参数来生成直方图数据。为了说明，信号处理电路210可以基于由TDC 208输出的数据来生成、存储、传输、压缩、分析、解码和/或以其他方式处理直方图。在一些示例中，信号处理数据210可以将经处理的数据提供给控制电路206，控制电路206可以以任何合适的方式使用经处理的数据。
图3A图示了示例性光电检测器***300。如图所示，光电检测器***300包括光源302和被设置在印刷电路板(PCB)306上的多个SPAD电路304(即，SPAD电路304-1至304-16)。替代地，SPAD电路304(和光电检测器***300的其他部件)可以被设置在ASIC上。光电检测器***300还包括与SPAD 304共有的控制电路308、与SPAD 304共有的信号处理电路310以及包括多个TDC的TDC阵列312，每个TDC对应于SPAD电路304中的一个SPAD电路。控制电路308、信号处理电路310和TDC阵列312均可以被设置在PCB 306上(如图3A所示)，或者位于光电检测器***300内的其他地方。每个SPAD电路304与TDC阵列312中包括的TDC、控制电路308和信号处理电路304的组合可以实施特定的光电检测器。因此，可以说光电检测器***300包括光电检测器阵列。
光源302可以被配置为生成可以被施加到期望的目标(例如，脑内的目标)的一个或多个波长下的一个或多个光脉冲。光源302可以通过任何适当的部件组合来实施。例如，光源302可以由生成激光脉冲的激光源来实施。
SPAD电路304在操作上均类似于SPAD电路204，并且可以被配置为在由光源302生成的光脉冲的光子从目标(例如，用户内部的目标(例如，脑组织))反射之后检测该光子。SPAD电路304还可以用于检测由于用于成像应用的环境光而从任何物体反射的光子。在这种情况下，不需要光源302，因为光子是由环境光或另一光源生成的。
如图所示，SPAD电路304以4×4的阵列被布置在PCB 306上。每个SPAD电路304的定位可以例如对应于像素阵列内的像素。替代地，SPAD电路304可以以任何合适的方式布置。虽然在图3A中示出了十六个SPAD电路304，但是将认识到，光电检测器***300中可以包括任何数量的SPAD电路304。
控制电路308在功能上可以类似于控制电路206，并且可以被配置为控制SPAD电路308中的每个SPAD电路。信号处理电路310在功能上可以类似于信号处理电路210，并且可以被配置为处理由SPAD电路304中的每个SPAD电路输出的信号。TDC阵列312可以包括多个TDC，每个TDC类似于TDC 208并且被配置为测量发生光脉冲302的时间与由SPAD电路304中的每个SPAD电路生成输出脉冲的时间之间的时间差。
光电检测器***300可以由任何合适的设备实施或者被包括在任何合适的设备中。例如，光电检测器***300可以被包括在用户可以穿戴以执行一个或多个诊断、成像和/或与消费者有关的操作的无创可穿戴设备中。
为了说明，图3B示出了实施光电检测器***的示例性无创可穿戴脑接口***320(“脑接口***320”)，该光电检测器***可以类似于光电检测器***300。如图所示，脑接口***320包括被配置为被附接到患者头部的可头戴部件322。可头戴部件322包括多个光电检测器324和被配置为生成光脉冲的多个光源326。将认识到，在一些替代实施例中，可头戴部件322可以包括单个光电检测器324和/或单个光源326。例如，脑接口***320可以用于控制光路并将光电检测器像素测量结果变换成表示深部脑组织区域的光学属性的强度值。与仅对浅表组织结构进行成像或者通过光学透明组织进行成像的传统成像***和方法(例如，光学相干断层摄影(OCT))形成对比，脑接口***320通过从源自深部目标位置的光子提取数据来允许透过皮肤和骨骼对深部解剖位置进行光学检测。
脑接口***320还可以包括处理器328，该处理器328被配置为通过通信链路330与光电检测器324和光源326进行通信(例如控制信号和/或从其接收信号)。通信链路330可以包括任何合适的有线和/或无线通信链路。处理器328可以包括任何合适的壳体，并且可以根据需要而位于患者的头皮、颈部、肩膀、胸部或手臂上。在一些变型中，处理器328可以与光电检测器324和光源326一起集成在同一组件壳体中。
如图所示，脑接口***320可以任选地包括与处理器328通信的远程处理器332。例如，远程处理器332可以存储来自光电检测器324和/或处理器328的来自先前检测时期的测量数据。可以经由可穿戴电池(未示出)来提供用于光电检测器324、光源326和/或处理器238的电力。在一些示例中，处理器328和电池可以被包封在单个壳体中，并且承载来自处理器328和电池的电力信号的电线可以延伸到光电检测器324和光源326。替代地，可以无线地(例如通过感应)提供电力。
下文将更详细地描述可以实施本文描述的光电检测器***的额外的或替代的脑接口***。
光电检测器***300可以替代地被包括在非可穿戴设备(例如，医学设备和/或消费者设备中，其被放置在用户的头部或其他身体部位附近以执行一个或多个诊断、成像和/或与消费者相关的操作)中。光电检测器***300可以替代地被包括在可穿戴有创设备(例如，用于脑记录和成像的可植入医学设备)的子组件壳体中。
现在将描述可以在本文描述的光电检测器架构中使用的各种SPAD电路。本文描述的SPAD电路中的每个SPAD电路由电容器(或者在一些情况下由SPAD本身的寄生电容)门控，该电容器在提供命令对SPAD装备之前由偏置电压预先充电。
图4A示出了可以在本文描述的光电检测器架构中使用的示例性SPAD电路400。如图所示，SPAD电路400包括SPAD 402、电压源404-1和404-2、电容器406、多个开关408(即，开关408-1、408-2和408-3)、电阻器410以及逆变器412。
如图所示，电压源404-1被连接到SPAD 402的输入节点414(也被称为阳极)。电压源404-1可以包括被配置为在输入节点414处供应反向偏置电压的任何合适的有源电压源。反向偏置电压的幅值等于或小于SPAD 402的击穿电压。在一些示例中，由电压源404-1供应的反向偏置电压的幅值比SPAD 402的击穿电压小预定量。例如，由电压源404-1供应的反向偏置电压可以在SPAD 402的击穿电压的1-2伏的范围内。SPAD 402的示例性击穿电压是20伏。因此，由电压源404-1供应的反向偏置电压的示例性但非排他性幅值是18-19伏。
电压源404-2可以包括任何合适的有源电压源，并且被配置为通过开关408-3被选择性地连接到电容器406。例如，当开关408-3闭合时，电压源404-2被连接到电容器406，而当开关408-3断开时，电压源404-2与电容器406断开。当电压源404-2被连接到电容器406时，电压源404-2利用过量偏置电压对电容器406充电。在一些示例中，过量偏置电压的幅值小于或等于SPAD 402的击穿电压(例如小于由电压源404-1供应的反向偏置电压的幅值)。例如，过量偏置电压可以是2-5伏。然而，过量偏置电压可以具有如可以用于特定实施方式的任何其他合适值。
在一些示例中，可以将过量偏置电压设置为补偿SPAD 402的寄生电容的值。将认识到，当电容器406被连接到SPAD 402时，电容器406上的一些电荷将被转移到SPAD 402的寄生电容。因此，即使在SPAD 402的寄生电容被充电之后，也可以设置过量偏置电压以确保SPAD 402两端的总电压超过SPAD 402的击穿电压。
开关408(在本文中也被称为“开关配置”)被配置为对SPAD 402进行选择性的装备和装备解除。例如，如下所述，通过在利用过量偏置电压对电容器406充电时和将电容器406从电压源404-2断开时将电容器406连接到SPAD 402的输出节点416(也被称为阴极)，开关408-1和408-2可以将SPAD 402置于装备状态。如图所示，电容器406可以通过电阻器410被连接到输出节点416。在一些替代实施例中，电阻器410被连接在SPAD402与电压源404-1之间。在其他替代实施例中，SPAD电路400中不包括电阻器410，并且电容器406可以被直接连接到输出节点416。
当电容器406被连接到输出节点416时，电容器406将过量偏置电压供应给输出节点416。这使得SPAD 402两端的电压大于SPAD 402的击穿电压，从而将SPAD 402置于装备状态。例如，如果SPAD 402的击穿电压为20伏，则由电压源404-1在输入节点414处供应的反向偏置电压为-18伏，而当电容器406完全充电时由电容器406在输出节点416处供应的过量偏置电压为3伏，当电容器406两端的电压大于SPAD 402的击穿电压时，SPAD 402两端的电压为21伏。
电容器406可以具有任何合适的尺寸(即，容量)。在一些示例中，电容器406的尺寸可以相对较小，以便减少在雪崩期间流过SPAD 402的电流。这样可以使功耗、抑制时间、后脉冲和时间抖动最小化。
开关408-1和408-2可以通过将电容器406与SPAD 402的输出节点416断开并将SPAD 402的输出节点连接到地418来将SPAD 402置于装备解除状态。在该配置中，SPAD 402两端的电压基本上等于反向偏置电压的幅值，该反向偏置电压的幅值小于SPAD 402的击穿电压。
逆变器412被配置为在SPAD 402处于装备状态时在光子击中SPAD402时生成输出脉冲。当光子在SPAD 402内引发雪崩时，SPAD 402从电容器406汲取电流，从而使电容器406放电至零。随着电容器406放电，输出节点416处的电压降低。当输出节点416处的电压下降到某个值以下时，逆变器412生成输出脉冲。在一些示例中，能调节针对逆变器412的电力供应以考虑不同的阈值。
图4B示出了SPAD电路400的替代实施方式，其中，比较器420代替逆变器412被包括在SPAD电路400中。比较器420被配置为在SPAD 402处于装备状态时在光子击中SPAD 402时生成输出脉冲。为此，比较器420具有负端子和正端子。阈值电压(V_threshold)在负极端子上。当SPAD 402处于装备状态且电容器406被过量偏置电压完全充电时，该阈值电压小于SPAD 402两端的电压。比较器420的正端子(例如通过电阻器410)被连接到输出节点416。当光子在SPAD 402内引发雪崩时，SPAD 402从电容器406汲取电流，从而使电容器406放电至零。随着电容器406放电，输出节点416处的电压降低。当输出节点416处的电压下降到比较器420的负端子上的阈值电压以下时，比较器420生成输出脉冲。
图5是图示SPAD电路400的示例性操作模式的流程图500。为了该示例的目的，控制电路206被配置为通过控制开关408来控制SPAD电路400，TDC 208被连接到逆变器412的输出部，并且信号处理电路210被连接到TDC 208的输出部。流程图500中示出的操作中的一个或多个操作可以由控制电路206来执行。
在操作502中，在SPAD 402处于装备解除状态时，电容器406被过量偏置电压充电。通过提供以下控制逻辑，控制电路206可以在SPAD 402处于装备解除状态时利用过量偏置电压对电容器406充电：断开开关408-1以将SPAD 402的输出节点416从电容器406断开，闭合开关408-2以将SPAD 402的输出节点416连接到地418，并且闭合开关408-3以将电压源404-2连接到电容器406。该开关状态在图4A中示出。
当处于图4A所示的开关状态时，电压源404-2利用过量偏置电压对电容器406充电。当控制电路206检测到电容器406被过量偏置电压完全充电时(是；决策框504)，控制电路506将电压源404-2与电容器406断开(操作506)。这由提供以下控制逻辑的控制电路506来执行：在开关408-1仍然断开并且开关408-2仍然闭合时断开开关408-3。该开关状态在图6中示出。
在操作508中，一旦电容器406被过量偏置电压充电，控制电路206就将SPAD 402置于装备状态。为此，控制电路206提供以下控制逻辑：闭合开关408-1以将SPAD 402的输出节点416连接到电容器406，断开开关408-2以将SPAD 402的输出节点416与地418断开，并且使开关408-3保持断开以使电压源404-2与电容器406保持断开。该开关状态在图7中示出。当处于图7所示的开关状态时，由于在SPAD 402两端的电压高于SPAD 402的击穿电压，因此SPAD 402是装备的。
在一些示例中，控制电路206等待将SPAD 402置于装备状态，直到在发生光脉冲(例如，由光源302生成的光脉冲)之后经过预定时间量为止。以这种方式，SPAD电路402可以被配置为检测从用户内的特定深度(例如，用户脑内的特定深度)到达的光子。
例如，控制电路206可以维持表示可编程门延迟的数据。该可编程门延迟指定了在将SPAD 402置于装备状态之前控制电路206在发生光脉冲之后所要等待的预定时间量。能由用户(例如经由与控制电路206的软件和/或硬件接口)对可编程门延迟进行编程以指定任何合适的时间量。额外地或替代地，可编程门延迟可以由信号处理电路210来确定。
当SPAD 402处于装备解除状态并且在发生光脉冲之后经过由可编程门延迟指定的预定时间量将SPAD 402置于装备状态时，控制电路206可以通过检测光脉冲的发生(例如通过接收指定光脉冲生成的时间的光脉冲定时信息)来使用可编程门延迟。替代地，控制电路206可以通过闭合开关408-1和408-3并同时保持开关408-2断开来将SPAD 402设置为总是处于装备状态。
图8示出了图示光脉冲的发生与控制电路206所使用的可编程门延迟之间的关系的示例性定时图800。如图所示，可以将光脉冲的序列802(例如，光脉冲802-1和802-2)施加到目标(例如，用户脑内的组织)。施加的光脉冲802的示例性频率是40-100兆赫兹。
在施加光脉冲的序列802期间，根据由控制电路406维持的一个或多个定时参数(例如，可编程门延迟、可编程门宽等)对SPAD 402进行装备和装备解除。这种装备和装备解除由脉冲波804来表示。如图所示，当脉冲波804为高时，SPAD 402处于装备状态。当脉冲波804为低时，SPAD 402处于装备解除状态。
如图所示，每个光脉冲802是在SPAD 402处于装备解除状态时发生的(即，施加每个光脉冲802)。每个光脉冲802是在特定时间发生的。例如，光脉冲802-1是在时间t0时发生的。由控制电路206维持的可编程门延迟指定控制电路206在输出将SPAD 402置于装备状态的控制数据之前等待多长时间。在图8的示例中，在时间t1时将SPAD 402置于装备状态。因此，可编程门延迟等于t1-t0。示例性可编程门延迟在零皮秒至4纳秒之间。如上所述，与SPAD402相关联的从装备解除状态到装备状态的上升时间相对较快(例如几乎是瞬时的)，因为SPAD 402是由电容器406而不是由有源电压源进行门控的。
在一些示例中，控制电路206还维护表示可编程门宽的数据，这种表示可编程门宽的数据指定SPAD 402在被装备解除之前在装备状态下保持多长时间。用户能够(例如经由与控制电路206的软件和/或硬件接口)对可编程门宽进行编程以指定任何合适的时间量。额外地或替代地，可编程门宽可以是在信号处理电路210中导出的。
在图8的定时图中，SPAD 402在时间t2时被装备解除的。因此，在该示例中，可编程门宽等于t2-t1。通过控制门宽，控制电路206可以确保SPAD402在随后的光脉冲发生之前的相对较长的时间内被装备解除。这可以有利地避免后脉冲，该后脉冲会通过由逆变器412触发不指示实际光子到达的输出脉冲来使由光电检测器采集的数据失真。
因此，如果控制电路206检测到满足可编程门宽(即，由可编程门宽指定的预定时间已经到期)(是；决策框510)，则控制电路206将SPAD 402返回置于装备解除状态(操作512)，其方法是断开开关408-1以将SPAD 402的输出节点416与电容器406断开，并且闭合开关408-2以将SPAD 402的输出节点416连接到地418。可以针对后续的光脉冲重复图5所示的过程。例如，当SPAD 402处于装备解除状态时，可以对电容器406再次充电，使得可以对SPAD402再次装备并且从光脉冲802-2中检测光子。
一旦将SPAD 402置于装备状态，来自光脉冲的光子就会在SPAD 402内引发雪崩。如上所述，SPAD 402会在发生雪崩时从电容器406汲取电流，这会降低输出节点416处的电压。当输出节点416处的电压下降到某个值以下时，逆变器412会生成输出脉冲。
TDC 208可以以任何合适的方式测量发生由逆变器412生成输出脉冲的时间与发生光脉冲802-1的时间之间的时间差。例如，参考图8，逆变器412可以在时间t3时生成输出脉冲。TDC 208可以通过计算t3与t0之差来测量发生输出脉冲的时间与发生光脉冲802-1的时间之间的时间差。替代地，TDC 208可以计算t3与发生随后的光脉冲(即，光脉冲802-2)的时间之间的时间差，从而确定发生输出脉冲与发生光脉冲802-1之间的时间差。
TDC 208可以将表示发生输出脉冲的时间与发生光脉冲802-1的时间之间的时间差的数据输出到信号处理电路210。信号处理电路210可以对数据执行本文描述的信号处理操作中的一个或多个信号处理操作。
可以以任何合适的方式来实施SPAD电路400中包括的各种部件。例如，开关408均可以由任何合适的开关电路来实施。为了说明，图9A-9F示出了可以实施开关408中的任何开关的各种电路。特别地，图9A示出可以实施开关408中的一个或多个开关的NPN双极结型晶体管。图9B示出了可以实施开关408中的一个或多个开关的PNP双极结型晶体管。图9C示出了可以实施开关408中的一个或多个开关的NMOS MOSFET，图9D示出了可以实施开关408中的一个或多个开关的PMOS MOSFET，图9E示出了可以实施开关408中的一个或多个开关的传输门，并且图9F示出了可以实施开关408中的一个或多个开关的方波生成器和电容器。
图10A图示了逆变器412的示例性实施方式。在该实施方式中，当发生雪崩时，SPAD402的输出节点416上的电压下降至接近零，从而导致由逆变器412生成的输出脉冲变高。各种其他电路拓扑结构可以实施可以用于特定实施方式的逆变器412。
图10B图示了比较器420的示例性实施方式。在该实施方式中，当发生雪崩时，SPAD402的输出节点416上的电压下降至接近零，从而导致由比较器420生成的输出脉冲变高。各种其他电路拓扑结构可以实施可以用于特定实施方式的比较器420。
在一些示例中，可以从SPAD电路400中省去逆变器412和比较器420。在这些示例中，将来自SPAD 402的输出提供为针对TDC 208的输入。
图11A示出了可以在本文描述的光电检测器架构中使用的另一示例性SPAD电路1100。如图所示，SPAD电路1100包括SPAD 1102、电压源1104-1和1104-2、电容器1106-1和1106-2、多个开关1108(即，开关1108-1和1108-2)、电阻器1110以及逆变器1112。
如图所示，电容器1106-1被连接到SPAD 1102的输出节点1114。电容器1106-1可以具有可以用于特定实施方式的任何合适尺寸。电容器1106-1被示为通过电阻器1110被连接到输出节点1114。在一些示例中，电阻器1110实际上不是物理电阻器，而是表示SPAD 1102的内部电阻。
电压源1104-1可以包括任何合适的有源电压源，并且被配置为通过开关1108-2被选择性地连接到电容器1106-1。例如，当开关1108-1处于第一位置时，电压源1104-1被连接到电容器1106-1，而当开关1108-1处于第二位置时，电压源1104-1与电容器1106-1断开。在本文提供的示例中，开关1108-1在第一位置时闭合，而在第二位置时断开。将认识到，在替代配置中，当开关1108-1断开时，电压源1104-1可以被连接到电容器1106-1，而当开关1108-1闭合时，电压源1104-1可以与电容器1106-1断开。
当电压源1104-1被连接到电容器1106-1时，电压源1104-1利用偏置电压对电容器1106-1充电。偏置电压的幅值等于或小于SPAD 1102的击穿电压。在一些示例中，由电压源1104-1供应的偏置电压的幅值比SPAD 1102的击穿电压小预定量。例如，由电压源1104-1供应的偏置电压可以在SPAD1102的击穿电压的1-2伏内。SPAD 1102的示例性击穿电压是20伏。因此，由电压源1104-1供应的偏置电压的示例性但非排他性幅值是18-19伏。
如图所示，电压源1104-2被连接到SPAD 1102的输入节点1116。电压源1104-2可以包括配置为在输入节点1116处供应反向过量偏置电压的任何合适的有源电压源。在一些示例中，反向过量偏置电压的幅值小于或等于SPAD 1102的击穿电压(例如小于或等于由电压源1104-1供应的偏置电压的幅值)。例如，反向过量偏置电压可以是负的2-5伏。然而，反向过量偏置电压可以具有可以用于特定实施方式的任何其他合适值。如上所述，反向过量偏置电压可以被设置为补偿SPAD 1102的寄生电容的值。
开关1108被配置为对SPAD 1102选择性装备和装备解除。例如，如下所述，在电容器1106-1既被偏置电压充电又与电压源1104-1断开时，开关1108-1可以通过将电压源1104-2连接到SPAD 1102的输入节点1116而将SPAD 1102置于装备状态。
当电压源1104-2被连接到输入节点1116时，电压源1104-2将反向过量偏置电压供应给输入节点1116。这使得SPAD 1102两端的电压大于SPAD1102的击穿电压，从而将SPAD1102置于装备状态。例如，如果SPAD 1102的击穿电压为20伏，则当电容器1106-1完全充电时，由电容器1106-1在输出节点1114处供应的偏置电压为18伏，而由电压源1104-2在输入节点1116处供应的反向过量偏置电压为-3伏，SPAD 1102两端的电压为21伏，其大于SPAD1102的击穿电压。
开关1108-1可以通过将电压源1104-2与SPAD 1102的输入节点1116断开并将SPAD1102的输入节点116连接到地1118来将SPAD 1102置于装备解除状态。在该配置中，SPAD1102两端的电压基本上等于偏置电压的幅值，其小于SPAD 1102的击穿电压。
逆变器1112类似于逆变器412，并且被配置为在SPAD 1102处于装备状态时在光子击中SPAD 1102时生成输出脉冲。当光子在SPAD 1102内引发雪崩时，SPAD 1102从电容器1106-1汲取电流，从而使电容器1106-1放电至零。随着电容器1106-1放电，输出节点1114处的电压降低。当输出节点1114处的电压下降到某个值以下时，逆变器1112生成输出脉冲。
图11B示出SPAD电路1100的替代实施方式，其中，在SPAD电路400中包括比较器1120来代替逆变器1112。比较器1120类似于比较器420，并且被配置为在SPAD 1102处于装备状态时在光子击中SPAD 1102时生成输出脉冲。如图所示，比较器1120的正端子通过电容器1106-2被连接到SPAD1102的输出节点1114。在一些示例中，从SPAD电路1100中省去电容器1106-2。
当光子在SPAD 1102内引发雪崩时，SPAD 1102从电容器1106-1汲取电流，从而使电容器1106-1放电至零。随着电容器1106-1放电，输出节点1114处的电压降低。当输出节点1114处的电压下降到比较器1120的负极端子上的阈值电压以下时，比较器1120生成输出脉冲。
图12是图示SPAD电路1100的示例性操作模式的流程图1200。为了该示例的目的，控制电路206被配置为通过控制开关1108来控制SPAD电路1100，TDC 208被连接到逆变器1112的输出部，并且信号处理电路210被连接到TDC 208的输出部。流程图1200中示出的操作中的一个或多个操作可以由控制电路206来执行。
在操作1202中，在SPAD 1102处于装备解除状态时，利用偏置电压对电容器1106-1充电。控制电路206可以通过提供以下控制逻辑来使电容器1106-1在SPAD 1102处于装备解除状态时被偏置电压充电：使开关1108-1处于第一位置(即，闭合)以将SPAD 1102的输入节点1116连接到地1118，并且使开关1108-2处于第一位置以将电压源1104-1连接到电容器1106-1。该开关状态在图11A中示出。
当处于如图11A所示的开关状态时，电压源1104-1利用偏置电压对电容器1106-1充电。当控制电路206检测到电容器1106-1被偏置电压完全充电时(是；决策框1204)，控制电路1206将电压源1104-1与电容器1106-1断开(操作1206)。这由控制电路1206提供以下控制逻辑来执行：使开关1108-2处于第二位置(即，断开)，而开关1108-1仍处于第一位置。该开关状态在图13中示出。
在操作1208中，当电容器1106-1被偏置电压充电时，控制电路206将SPAD 1102置于装备状态。为此，控制电路206提供以下控制逻辑：使开关1108-1处于第二位置(即，断开)以将SPAD 1102的输入节点1116连接到电压源1104-2。该控制逻辑还将开关1108-2保持在第二位置以保持电压源1104-1与电容器1106-1断开。该开关状态在图14中示出。当处于图14中示出的开关状态时，SPAD 1102被装备，因为SPAD 1102两端的电压高于SPAD 1102的击穿电压。
如上所述，控制电路206可以根据可编程门延迟和可编程门宽来对SPAD 1102进行装备和装备解除。因此，如果控制电路206检测到满足可编程门宽(即，由可编程门宽指定的预定时间已经到期)(是；决策框1210)，则控制电路206通过以下操作将SPAD 402返回置于装备解除状态(操作1212)：使开关1208-1处于第一位置以将SPAD 1102的输入节点1116连接到地1118。可以对随后的光脉冲重复图12所示的步骤。
一旦将SPAD 1102置于装备状态，来自光脉冲的光子就会在SPAD 1102内引发雪崩。如上所述，SPAD 1102在发生雪崩时从电容器1106-1汲取电流，从而降低输出节点1116处的电压。当输出节点1116处的电压下降到某个值以下时，逆变器1112会生成输出脉冲。TDC 208可以如上所述地处理输出脉冲。
可以以任何合适的方式来实施SPAD电路1100中包括的各种部件。例如，开关1108均都可以由任何合适的开关电路来实施，例如，图9A-9F所示的开关电路。逆变器1112可以由图10A所示的电路来实施。比较器1120可以由图10B所示的电路来实施。
在一些示例中，可以从SPAD电路1100中省去逆变器1112和比较器1120。在这些示例中，将SPAD 1102的输出提供为针对TDC 208的输入。
SPAD电路1110可以通过多种替代电路拓扑结构中的任一种来实施。例如，图15-20示出SPAD电路1110的替代电路拓扑结构。特别地，图17的电路拓扑结构不包括对SPAD进行门控的电容器。相反，SPAD的寄生电容被过量偏置电压充电并用于对SPAD进行门控。这在对SPAD电路1110中能够包括的部件数量具有空间限制的配置中可以是有利的。
图21图示了示例性方法2100。虽然图21图示了根据一个实施例的示例性操作，但是其他实施例可以省去、添加、重新排序和/或修改图21所示的操作中的任何操作。图21所示的操作中的一个或多个操作可以由与SPAD电路400连接的控制电路206来执行。
在操作2102中，控制电路206指导第一电压源在SPAD的输入节点处供应幅值等于或小于SPAD的击穿电压的反向偏置电压。可以以本文描述的方式中的任何方式来执行操作2102。
在操作2104中，控制电路206指导第二电压源，该第二电压源被配置为选择性地连接到电容器以利用过量偏置电压对电容器充电。可以以本文描述的方式中的任何方式来执行操作2104。
在操作2106中，控制电路206响应于电容器被过量偏置电压充电而将第二电压源与电容器断开。可以以本文描述的方式中的任何方式来执行操作2106。
在操作2108中，控制电路206通过将电容器连接到SPAD的输出节点并同时使电容器既被过量偏置电压充电又与第二电压源断开来将SPAD置于装备状态。可以以本文描述的方式中的任何方式来执行操作2108。
图22图示了另一示例性方法2200。虽然图22图示了根据一个实施例的示例性操作，但是其他实施例可以省去、添加、重新排序和/或修改图22所示的操作中的任何操作。图22所示的操作中的一个或多个操作可以由与SPAD电路1100连接的控制电路206来执行。
在操作2202中，控制电路206指导第一电压源利用幅值等于或小于SPAD的击穿电压的偏置电压对被连接到单个光子雪崩二极管的输出节点的电容器充电。可以以本文描述的方式中的任何方式来执行操作2202。
在操作2204中，控制电路206指导第二电压源以供应反向过量偏置电压。可以以本文描述的方式中的任何方式来执行操作2204。
在操作2206中，控制电路206通过将第二电压源连接到SPAD的输入节点并同时使电容器既被偏置电压充电又与第一电压源断开来将SPAD置于装备状态。可以以本文描述的方式中的任何方式来执行操作2206。
现在将结合图23-29来描述可以实施本文描述的光电检测器架构的各种无创可穿戴脑接口***。结合图23-29描述的无创可穿戴脑接口***中的每个都将被称为“脑接口***”。本文描述的脑接口***仅仅是可以实施本文描述的光电检测器架构的许多不同类型的脑接口***的示例。
图23示出了示例性脑接口***2300。脑接口***2300包括头戴式设备2302、多个光电检测器单元2304(例如，光电检测器单元2304-1至2304-12)、主控制单元2306以及电源2308。
在图23的示例中，头戴式设备2302由穿戴在用户2310的头部上的帽子来实施。头戴式设备2302的替代实施方式包括头盔、无檐小便帽、头带、其他帽子形状等，并且将在本文中进行描述。头戴式设备2302可以由任何合适的布、软聚合物、塑料、硬壳和/或可以用于特定实施方式的任何其他合适材料制成。
光电检测器单元2304可以以任何合适的方式被附接到头戴式设备2302。例如，头戴式设备2302可以包括：多个切口，光电检测器单元2304被配置为适配在该切口内；多个突起，其在头戴式设备2302的内表面上，光电检测器单元2304被配置为被附接到该多个突起；多个嵌入式壳体，其被配置为包封个体光电检测器单元2304；和/或任何其他合适的附接机构或元件。
为了说明，图24A示出了包括多个切口2402(例如，切口2402-1至切口2402-9)的头戴式设备2302的示例性部分。在图24A中，光电检测器单元2304尚未***切口2402内。如图所示，每个切口2402可以被嵌入在头戴式设备2302内的刚性环2404包围。例如，切口2402被刚性环2404包围。刚性环2404可以由任何合适的材料(例如，塑料、金属等)制成。刚性环2404可以包括一个或多个凹槽或其他特征，其被配置为便于将光电检测器单元2304能移除地附接到头戴式设备2302。虽然在图24A中切口2402和刚性环2404被示为矩形，但是切口2402和刚性环2404也可以替代地是任何其他形状和/或尺寸。
图24B示出了头戴式设备2302的横截面侧视图并且图示了其中头戴式设备2302包括多个突起2406(例如，突起2406-1至2406-5)的替代配置。突起2406可以由与头戴式设备2302相同或不同的材料制成，并且可以位于头戴式设备2302的内表面上。虽然在图24B中示出的是被耦合到头戴式设备2302的单独元件，但是突起2406可以替代地被形成为头戴式设备2302的部分。突起2406可以具有允许光电检测器单元2304附接到其上的任何合适的形状和/或尺寸。在一些示例中，突起2406均包括类似于刚性环2404的刚性环，光电检测器单元2304可以附接到该刚性环2404。
在一些替代示例中，光电检测器单元2304不是在离散位置被附接到头戴式设备2302的。例如，头戴式设备2302可以包括在头戴式设备2302内部的轨道状引导件，其允许用户将光电检测器单元2304定位在沿着连续路径的任何地方而不是定位在离散的切口或突出位置中。作为另一示例，头戴式设备2302可以由磁性材料制成，光电检测器单元可以在任何期望位置处磁性耦合到该磁性材料。
光电检测器单元2304可以附接到头戴式设备2302的上述方式可以类似地应用于本文描述的其他脑接口***中的任一种。
返回图23，每个光电检测器单元2304可以是独立的。换句话说，每个光电检测器单元可以被容纳在其自己的壳体内。每个光电检测器单元2304均可以类似于光电检测器***300。例如，每个光电检测器单元2304可以包括被配置为生成光的个体光源和被配置为在光的光子从用户2310的脑内的目标反射之后检测该光子的多个光电检测器。在一些示例中，每个光电检测器单元2304可以包括印刷电路板，在该印刷电路板上设置有光源和光电检测器。
在一些替代实施例中，光电检测器单元2304不包括个体光源。替代地，被配置为生成由光电检测器单元2304检测到的光的光源可以被包括在脑接口***2300中的其他地方。例如，光源可以被包括在主控制单元2306中并且通过电连接被耦合到光电检测器单元2304。
本文描述的光源中的每个光源可以由任何合适的设备来实施。例如，本文使用的光源可以是例如分布式反馈(DFB)激光器、超辐射发光二极管(SLD)、发光二极管(LED)、二极管泵浦固态(DPSS)激光器、激光二极管(LD)、超发光二极管(sLED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、钛蓝宝石激光器、微发光二极管(mLED)和/或任何其他合适的激光器或光源。
多个光电检测器中包括的每个光电检测器可以由本文描述的光电检测器中的任一种来实施。例如，在多个光电检测器中包括的特定的光电检测器可以包括SPAD和电容器。电容器被配置为在SPAD处于装备解除状态时利用由电压源提供的偏置电压进行充电。电容器被配置为当SPAD处于装备状态时将偏置电压供应给SPAD的输出节点，使得SPAD两端的电压大于SPAD的击穿电压。
主控制单元2306通过多条电线2312被通信地耦合到光电检测器单元2304中的每个光电检测器单元。在一些示例中，电线2312在头戴式设备2302的材料内从光电检测器单元2304至少部分地隧穿到主控制单元2306。在一些示例中，每个光电检测器单元2304包括被配置为连接到电线2312中的一个或多个电线的插头接口。
主控制单元2306可以被配置为控制光电检测器单元2304。例如，主控制单元2306可以指导每个光电检测器单元2304的光源生成光子，以在每个光电检测器单元2304的光电检测器中检测光的光子。这可以以本文描述的方式中的任何方式来执行。
如图所示，主控制单元2306位于头戴式设备2302内。在替代实施例中，如下所述，主控制单元2306可以被配置为被从用户2310的头部脱掉。在一些示例中，主控制单元2306可以从头戴式设备2302被选择性地移除。
电源2308可以由电池和/或被配置为向主控制单元2306、光电检测器单元2304和/或脑接口***2300内包括的任何其他电子部件提供工作电力的任何其他类型的电源来实施。如图所示，电源2308可以被连接到电源电缆2314，该电源电缆2314被配置为***主控制单元2306的对应的输入电源端口2316。在图23的示例中，输入电源端口2316通过电线(未示出)被连接到主控制单元2306。在替代示例中，输入电源端口2316可以被直接集成到主控制单元2306中。在图23的示例中，电源2308被配置为被从用户2310的头部脱掉。替代地，电源2308可以被集成到头戴式耳机2302中。例如，电源2308可以被配置为被穿戴在用户2310的肩膀和/或腰部上，夹在用户2310所穿戴的皮带上和/或由用户2310以其他方式携带。
图25示出了另一示例性脑接口***2500。类似于脑接口***2300，脑接口***2500包括头戴式设备2502和被选择性地附接到头戴式设备2502的多个光电检测器单元2504(例如，光电检测器单元2504-1至2504-4)。然而，在脑接口***2500中，主控制单元和电源都被包括在被配置为被穿戴在用户2508的肩膀上的独立单元2506中。单元2506中包括的主控制单元和电源被配置为执行与结合图23描述的功能相同的功能。然而，由于主控制单元和电源被包括在单元2506中，因此在图25中未明确示出它们。
图26示出了另一示例性脑接口***2600。脑接口***2600与脑接口***2300的相似之处在于，脑接口***2600包括头戴式设备2602、被选择性地附接到头戴式设备2602的多个光电检测器单元(例如，光电检测器单元2604)以及被包括在头戴式设备2602中的主控制单元2606。然而，在图26中，头戴式设备2602由被配置为由用户2608穿戴的无檐小便帽来实施。
图27示出了另一示例性脑接口***2700。在脑接口***2700中，头戴式设备2702由被配置为由用户2704穿戴的头带来实施。类似于脑接口***2300，脑接口***2700包括头戴式设备2702和被选择性被附接到头戴式设备2702的多个光电检测器单元2704。如上所述，多个光电检测器单元(例如，光电检测器单元2706)被选择性地附接到头戴式设备2702。在脑接口***2700中，主控制单元和电源被包括在被配置为被穿戴在用户2704的肩膀上的独立单元2708中。
图28示出了可以被包括在本文描述的脑接口***中的任一种中的头戴式设备2802的内表面。头戴式设备2802可以被配置为抱住(例如，顺应)用户的头部。内表面被配置为在用户穿戴着头戴式设备2802时面对用户的头部。如图所示，多个光电检测器单元(例如，光电检测器单元2804)可以(例如通过适配在头戴式设备2802的多个切口内，附接到头戴式设备2802的多个突起，包封在头戴式设备2802的多个嵌入式壳体内等)被附接到头戴式设备2802。如上所述，每个光电检测器单元包括被配置为将光引导到用户的脑中的光源。例如，光电检测器单元2804包括光源2806。如图所示，光源2806能够是光电检测器单元2804的部分或者被包括在光电检测器单元2804中，或者，替代地，光源2806可以位于远处并通过电连接被耦合到光电检测器单元2804。
图29示出了另一示例性脑接口***2900。脑接口***2900包括被配置为由用户2904穿戴的头戴式设备2902，并且包括主控制单元2906和多个光电检测器单元(未示出)。主控制单元2906通过电源电缆2910被连接到电源2908。头戴式设备2902与头戴式设备2802的相似之处在于，头戴式设备2902被配置为抱住用户2904的头部。
如图所示，电源2908可以被附接到可以由用户2904穿戴的皮带2912。在这种配置中，当用户2904跑步或者以其他方式移动时，电源2908保持牢固地附接到用户2904。
在前面的描述中，已经参考附图描述了各种示例性实施例。然而，将显而易见的是，在不脱离权利要求所阐述的本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变，并且可以实施其他实施例。例如，本文描述的一个实施例的某些特征可以与本文描述的另一实施例的特征进行组合或替换。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (29)

1.一种无创可穿戴脑接口***，包括：
头戴式设备，其被配置为被穿戴在用户的头部上；
多个独立的光电检测器单元，其被配置为能移除地附接到所述头戴式设备，所述光电检测器单元各自包括多个光电检测器，所述多个光电检测器被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子；以及
主控制单元，其通过多条电线被通信地耦合到所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元并被配置为控制所述光电检测器单元，所述主控制单元包括输入电源端口，所述输入电源端口被配置为连接到电源线，所述电源线从电源向所述主控制单元和所述光电检测器单元提供电力。
2.根据权利要求1所述的脑接口***，还包括被配置为生成所述光的光源。
3.根据权利要求2所述的脑接口***，其中，所述光源包括所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元中包括的个体光源。
4.根据权利要求2所述的脑接口***，其中，所述光源被包括在所述主控制单元中。
5.根据权利要求1所述的脑接口***，其中：
所述头戴式设备包括多个切口；并且
所述光电检测器单元被配置为适配在所述切口内。
6.根据权利要求5所述的脑接口***，其中，所述多个切口中包括的每个切口被刚性环包围，所述刚性环被嵌入在所述头戴式设备内并被配置为便于将所述光电检测器单元附接到所述头戴式设备。
7.根据权利要求1所述的脑接口***，其中：
所述头戴式设备包括多个突起，并且
所述光电检测器单元被配置为附接到所述突起。
8.根据权利要求7所述的脑接口***，其中，每个突起包括刚性环，所述刚性环被配置为便于将所述光电检测器单元附接到所述头戴式设备。
9.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述电线在所述头戴式设备的材料内至少部分地从所述光电检测器单元隧穿到所述主控制单元。
10.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述主控制单元位于所述头戴式设备内。
11.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述主控制单元被配置为被从所述用户的所述头部脱掉。
12.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述电源被配置为被从所述用户的所述头部脱掉。
13.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述电源被配置为被穿戴在所述用户的肩膀上或者被穿戴在所述用户的腰部上。
14.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述主控制单元通过指导每个光电检测器单元的所述光电检测器检测所述光的所述光子来控制所述光电检测器单元。
15.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述头戴式设备由带檐帽、无檐小便帽、头盔或头带来实施。
16.根据权利要求1所述的脑接口***，其中，所述多个光电检测器中包括的光电检测器包括：
单光子雪崩二极管(SPAD)；以及
电容器，其被配置为：
当所述SPAD处于装备解除状态时，利用通过电压源施加的偏置电压来充电，并且
当所述SPAD被置于装备状态时，将所述偏置电压供应给所述SPAD的输出节点，使得所述SPAD两端的电压大于所述SPAD的击穿电压。
17.根据权利要求16所述的脑接口***，其中，当所述电容器与所述电压源断开时，所述电容器将所述偏置电压供应给所述SPAD的所述输出节点。
18.根据权利要求16所述的脑接口***，其中，所述光电检测器还包括：
额外的电压源，其被连接到所述SPAD的输入节点并被配置为在所述输入节点处供应反向偏置电压，所述反向偏置电压的幅值等于或小于所述SPAD的所述击穿电压，其中，所述电压源被配置为选择性地连接到所述电容器以利用所述偏置电压对所述电容器充电，所述偏置电压是幅值小于由所述额外的电压源供应的所述反向偏置电压的幅值的过量偏置电压；以及
开关配置，其被配置为通过当所述电容器被所述过量偏置电压充电时并且当所述电容器与所述电压源断开时将所述电容器连接到所述SPAD的输出节点来将所述SPAD置于所述装备状态；
其中，当所述电容器被连接到所述SPAD的所述输出节点时，所述电容器将所述过量偏置电压供应给所述SPAD的所述输出节点，使得所述SPAD两端的电压大于所述击穿电压。
19.根据权利要求16所述的脑接口***，其中：
所述电容器被连接到所述SPAD的输出节点；
所述电压源被配置为选择性地连接到所述电容器以利用所述偏置电压对所述电容器充电，所述偏置电压的幅值等于或小于所述SPAD的击穿电压；并且
所述光电检测器还包括：
额外的电压源，其被配置为供应幅值小于所述偏置电压的幅值的反向过量偏置电压；以及
开关配置，其被配置为通过当所述电容器既被所述偏置电压充电又与所述电压源断开时将所述额外的电压源连接到所述SPAD的输入节点来将所述SPAD置于所述装备状态。
20.一种无创可穿戴脑接口***，包括：
头戴式设备，其被配置为被穿戴在用户的头部上；
多个独立的光电检测器单元，其被配置为能移除地附接到所述头戴式设备，所述光电检测器单元各自包括多个光电检测器，所述多个光电检测器被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子；
其中，所述多个光电检测器中包括的光电检测器包括：
单光子雪崩二极管(SPAD)；以及
电容器，其被配置为：
当所述SPAD处于装备解除状态时，利用通过电压源施加的偏置电压来充电，并且
当所述SPAD被置于装备状态时，将所述偏置电压供应给所述SPAD的输出节点，使得所述SPAD两端的电压大于所述SPAD的击穿电压。
21.根据权利要求20所述的脑接口***，还包括被配置为生成所述光的光源。
22.根据权利要求21所述的脑接口***，其中，所述光源包括所述光电检测器单元中包括的每个光电检测器中的个体光源。
23.根据权利要求20所述的脑接口***，还包括主控制单元，所述主控制单元通过多条电线被通信地耦合到所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元并被配置为控制所述光电检测器单元，所述主控制单元包括输入电源端口，所述输入电源端口被配置为连接到电源线，所述电源线从电源向所述主控制单元和所述光电检测器单元提供电力。
24.根据权利要求23所述的脑接口***，其中，所述主控制单元还包括被配置为生成所述光的光源。
25.根据权利要求20所述的脑接口***，其中：
所述头戴式设备包括多个切口；并且
所述多个独立的光电检测器单元被配置为适配在所述切口内。
26.根据权利要求20所述的脑接口***，其中：
所述头戴式设备包括多个突起；并且
所述光电检测器单元被配置为附接到所述突起。
27.根据权利要求20所述的脑接口***，其中，当所述电容器与所述电压源断开时，所述电容器将所述偏置电压供应给所述SPAD的所述输出节点。
28.一种无创可穿戴脑接口***，包括：
头戴式设备，其被配置为被穿戴在用户的头部上，所述头戴式设备包括多个切口；
多个独立的光电检测器单元，其被配置为能移除地附接到所述头戴式设备并适配在所述切口内，所述光电检测器单元各自包括：
光源，其被配置为生成光，以及
多个光电检测器，其被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子；
主控制单元，其通过多条电线被通信地耦合到所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元并被配置为控制所述光电检测器单元；以及
电源，其被配置为：
被从所述用户的所述头部脱掉，
通过电源线被连接到所述主控制单元，并且
向所述主控制单元和所述光电检测器单元提供电力。
29.根据权利要求28所述的脑接口***，其中，所述多个光电检测器中包括的光电检测器包括：
单光子雪崩二极管(SPAD)；以及
电容器，其被配置为：
当所述SPAD处于装备解除状态时，利用通过电压源施加的偏置电压来充电，并且
当所述SPAD被置于装备状态时，将所述偏置电压供应给所述SPAD的输出节点，使得所述SPAD两端的电压大于所述SPAD的击穿电压。
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Families Citing this family (65)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3268007B1 (en) * 2015-03-13 2022-11-09 Resverlogix Corp. Compositions and therapeutic methods for the treatment of complement-associated diseases
US10620300B2 (en) * 2015-08-20 2020-04-14 Apple Inc. SPAD array with gated histogram construction
US10830879B2 (en) 2017-06-29 2020-11-10 Apple Inc. Time-of-flight depth mapping with parallax compensation
US10955552B2 (en) 2017-09-27 2021-03-23 Apple Inc. Waveform design for a LiDAR system with closely-spaced pulses
WO2019125349A1 (en) 2017-12-18 2019-06-27 Montrose Laboratories Llc Time-of-flight sensing using an addressable array of emitters
US10340408B1 (en) 2018-05-17 2019-07-02 Hi Llc Non-invasive wearable brain interface systems including a headgear and a plurality of self-contained photodetector units configured to removably attach to the headgear
WO2019221799A1 (en) * 2018-05-17 2019-11-21 Hi Llc Stacked photodetector assemblies
US10158038B1 (en) 2018-05-17 2018-12-18 Hi Llc Fast-gated photodetector architectures comprising dual voltage sources with a switch configuration
US10420498B1 (en) 2018-06-20 2019-09-24 Hi Llc Spatial and temporal-based diffusive correlation spectroscopy systems and methods
US11213206B2 (en) 2018-07-17 2022-01-04 Hi Llc Non-invasive measurement systems with single-photon counting camera
WO2020028193A1 (en) 2018-07-30 2020-02-06 Hi Llc Non-invasive systems and methods for detecting mental impairment
EP3657679B1 (en) * 2018-11-21 2023-07-12 ams International AG Electric circuit arrangement to determine a level of an excess bias voltage of a single photon avalanche diode
IT201800020536A1 (it) * 2018-12-20 2020-06-20 Milano Politecnico Rivelatore a singolo fotone ad area larga con funzionalità di time-gating
US11006876B2 (en) 2018-12-21 2021-05-18 Hi Llc Biofeedback for awareness and modulation of mental state using a non-invasive brain interface system and method
JP2020112495A (ja) * 2019-01-15 2020-07-27 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光装置および測距装置
KR102604902B1 (ko) 2019-02-11 2023-11-21 애플 인크. 펄스형 빔들의 희소 어레이를 사용하는 깊이 감지
US20220137194A1 (en) * 2019-03-07 2022-05-05 Sony Semiconductor Solutions Corporation Light receiving device and range-finding device
JP2020153712A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 電流生成回路および測距システム
AU2020261944A1 (en) 2019-04-26 2021-11-18 Hi Llc Non-invasive system and method for product formulation assessment based on product-elicited brain state measurements
WO2020226840A1 (en) 2019-05-06 2020-11-12 Hi Llc Photodetector architectures for time-correlated single photon counting
US11081611B2 (en) 2019-05-21 2021-08-03 Hi Llc Photodetector architectures for efficient fast-gating comprising a control system controlling a current drawn by an array of photodetectors with a single photon avalanche diode
WO2020247185A1 (en) 2019-06-06 2020-12-10 Hi Llc Photodetector systems with low-power time-to-digital converter architectures
US11500094B2 (en) 2019-06-10 2022-11-15 Apple Inc. Selection of pulse repetition intervals for sensing time of flight
CN114007494A (zh) 2019-06-11 2022-02-01 Hi有限责任公司 通过意识启动效应检测和调制用户精神状态的非侵入式***和方法
US11555900B1 (en) 2019-07-17 2023-01-17 Apple Inc. LiDAR system with enhanced area coverage
US11378663B2 (en) * 2019-11-26 2022-07-05 Waymo Llc Systems and methods for biasing light detectors
US11733359B2 (en) 2019-12-03 2023-08-22 Apple Inc. Configurable array of single-photon detectors
WO2021167890A1 (en) 2020-02-21 2021-08-26 Hi Llc Wearable module assemblies for an optical measurement system
US11883181B2 (en) 2020-02-21 2024-01-30 Hi Llc Multimodal wearable measurement systems and methods
WO2021167892A1 (en) 2020-02-21 2021-08-26 Hi Llc Wearable devices and wearable assemblies with adjustable positioning for use in an optical measurement system
US11950879B2 (en) * 2020-02-21 2024-04-09 Hi Llc Estimation of source-detector separation in an optical measurement system
US11969259B2 (en) 2020-02-21 2024-04-30 Hi Llc Detector assemblies for a wearable module of an optical measurement system and including spring-loaded light-receiving members
WO2021167891A1 (en) 2020-02-21 2021-08-26 Hi Llc Integrated light source assembly with laser coupling for a wearable optical measurement system
WO2021167893A1 (en) 2020-02-21 2021-08-26 Hi Llc Integrated detector assemblies for a wearable module of an optical measurement system
US11515014B2 (en) 2020-02-21 2022-11-29 Hi Llc Methods and systems for initiating and conducting a customized computer-enabled brain research study
WO2021178298A1 (en) 2020-03-04 2021-09-10 Hi Llc Systems and methods for training and using a neurome that emulates the brain of a user
US20210294884A1 (en) 2020-03-17 2021-09-23 Hi Llc Authentication systems and methods using a brain computer interface
WO2021188488A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Bias voltage generation in an optical measurement system
WO2021188489A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc High density optical measurement systems with minimal number of light sources
US11864867B2 (en) 2020-03-20 2024-01-09 Hi Llc Control circuit for a light source in an optical measurement system by applying voltage with a first polarity to start an emission of a light pulse and applying voltage with a second polarity to stop the emission of the light pulse
US11857348B2 (en) 2020-03-20 2024-01-02 Hi Llc Techniques for determining a timing uncertainty of a component of an optical measurement system
US11877825B2 (en) 2020-03-20 2024-01-23 Hi Llc Device enumeration in an optical measurement system
US11645483B2 (en) 2020-03-20 2023-05-09 Hi Llc Phase lock loop circuit based adjustment of a measurement time window in an optical measurement system
WO2021188487A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Temporal resolution control for temporal point spread function generation in an optical measurement system
WO2021188490A1 (en) * 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Dynamic range optimization in an optical measurement system
US11903676B2 (en) 2020-03-20 2024-02-20 Hi Llc Photodetector calibration of an optical measurement system
US11819311B2 (en) 2020-03-20 2023-11-21 Hi Llc Maintaining consistent photodetector sensitivity in an optical measurement system
US11245404B2 (en) 2020-03-20 2022-02-08 Hi Llc Phase lock loop circuit based signal generation in an optical measurement system
US11941857B2 (en) 2020-05-26 2024-03-26 Hi Llc Systems and methods for data representation in an optical measurement system
US20220050198A1 (en) 2020-08-11 2022-02-17 Hi Llc Maintaining Consistent Photodetector Sensitivity in an Optical Measurement System
US11789533B2 (en) 2020-09-22 2023-10-17 Hi Llc Synchronization between brain interface system and extended reality system
WO2022150155A1 (en) 2021-01-06 2022-07-14 Hi Llc Devices, systems, and methods using wearable time domain-based activity tracker
WO2022182496A1 (en) 2021-02-26 2022-09-01 Hi Llc Optimizing autonomous self using non-invasive measurement systems and methods
WO2022182526A1 (en) 2021-02-26 2022-09-01 Hi Llc Brain activity tracking during electronic gaming
US20220273212A1 (en) 2021-02-26 2022-09-01 Hi Llc Systems and Methods for Calibration of an Optical Measurement System
US20220280110A1 (en) 2021-03-04 2022-09-08 Hi Llc Data Aggregation and Power Distribution in Time Domain-Based Optical Measurement Systems
US11604264B2 (en) 2021-03-26 2023-03-14 Aeye, Inc. Switchable multi-lens Lidar receiver
US11822016B2 (en) 2021-03-26 2023-11-21 Aeye, Inc. Hyper temporal lidar using multiple matched filters to orient a lidar system to a frame of reference
US11635495B1 (en) 2021-03-26 2023-04-25 Aeye, Inc. Hyper temporal lidar with controllable tilt amplitude for a variable amplitude scan mirror
US11686846B2 (en) 2021-03-26 2023-06-27 Aeye, Inc. Bistatic lidar architecture for vehicle deployments
US11448734B1 (en) 2021-03-26 2022-09-20 Aeye, Inc. Hyper temporal LIDAR with dynamic laser control using laser energy and mirror motion models
WO2022250817A1 (en) 2021-05-26 2022-12-01 Hi Llc Graphical emotion symbol determination based on brain measurement data for use during an electronic messaging session
US11681028B2 (en) 2021-07-18 2023-06-20 Apple Inc. Close-range measurement of time of flight using parallax shift
WO2023149382A1 (ja) * 2022-02-01 2023-08-10 浜松ホトニクス株式会社 信号処理回路、及び、光検出装置
CN115399681B (zh) * 2022-09-19 2024-04-05 上海集成电路制造创新中心有限公司 传感器、机器人和扫地机

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010020863A1 (en) * 2000-03-09 2001-09-13 Sergio Cova Circuit for high precision detection of the time of arrival of photons falling on single photon avalanche diodes
JP2006297125A (ja) * 2006-06-19 2006-11-02 Hitachi Ltd 生体光計測装置
CN201078806Y (zh) * 2007-07-03 2008-06-25 重庆大学 硅光电检测器
JP2012060012A (ja) * 2010-09-10 2012-03-22 Toyota Central R&D Labs Inc 光検出器
JP2014124380A (ja) * 2012-12-27 2014-07-07 Spectratech Inc 素子を装着するためのホルダ及び同ホルダを用いた生体情報計測装置
CN105319559A (zh) * 2014-07-14 2016-02-10 全视科技有限公司 飞行时间感测单元及飞行时间感测***
CN206401341U (zh) * 2015-12-20 2017-08-11 苹果公司 感测设备
CN107941248A (zh) * 2016-10-12 2018-04-20 意法半导体(R&D)有限公司 基于单光子雪崩二极管的范围检测装置

Family Cites Families (149)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US256264A (en) 1882-04-11 Thomas amphlett
IT1229945B (it) 1988-10-20 1991-09-17 Consiglio Nazionale Ricerche Circuito di spegnimento attivo per fotodiodi a semiconduttore a valanga per singoli fotoni, adatto per il funzionamento con fotodiodo in posizione remota
US5090415A (en) * 1989-02-14 1992-02-25 Hamamatsu Photonics Kabushiki Kaisha Examination apparatus
US5853370A (en) 1996-09-13 1998-12-29 Non-Invasive Technology, Inc. Optical system and method for non-invasive imaging of biological tissue
US6240309B1 (en) 1995-10-06 2001-05-29 Hitachi, Ltd. Optical measurement instrument for living body
US5929982A (en) * 1997-02-04 1999-07-27 Tektronix, Inc. Active APD gain control for an optical receiver
GB9827748D0 (en) 1998-12-18 1999-02-10 Secr Defence Improvements in avalanche photo-diodes
IT1316793B1 (it) 2000-03-09 2003-05-12 Milano Politecnico Circuito monolitico di spegnimento attivo e ripristino attivo perfotodiodi a valanga
GB2404012B (en) 2003-07-15 2006-07-19 Toshiba Res Europ Ltd A circuit for a single photon detector
US7038232B2 (en) 2003-09-24 2006-05-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Quantum efficiency enhancement for CMOS imaging sensor with borderless contact
US8082015B2 (en) 2004-04-13 2011-12-20 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Optical measurement of tissue blood flow, hemodynamics and oxygenation
US7547872B2 (en) 2005-02-14 2009-06-16 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne Integrated circuit comprising an array of single photon avalanche diodes
US7714292B2 (en) 2006-02-01 2010-05-11 Koninklijke Philips Electronics N.V. Geiger mode avalanche photodiode
US9101279B2 (en) 2006-02-15 2015-08-11 Virtual Video Reality By Ritchey, Llc Mobile user borne brain activity data and surrounding environment data correlation system
US7705284B2 (en) * 2006-03-06 2010-04-27 Nihon University High-speed single-photon detector in telecommunication wavelength band
US8600483B2 (en) * 2006-03-20 2013-12-03 California Institute Of Technology Mobile in vivo infra red data collection and diagnoses comparison system
US7667400B1 (en) 2006-06-09 2010-02-23 Array Optronix, Inc. Back-illuminated Si photomultipliers: structure and fabrication methods
US10194100B2 (en) 2006-10-06 2019-01-29 California Institute Of Technology Glare suppression through fog by optical phase conjugation assisted active cancellation
US8115170B2 (en) 2007-01-09 2012-02-14 International Business Machines Corporation Method and apparatus for creating time-resolved emission images of integrated circuits using a single-point single-photon detector and a scanning system
WO2008144831A1 (en) 2007-05-30 2008-12-04 Invision Medical Technologies Pty Ltd Method and apparatus for inspecting tissue
US8754378B2 (en) 2007-08-08 2014-06-17 Koninklijke Philips N.V. Silicon photomultiplier readout circuitry
US8791547B2 (en) 2008-01-21 2014-07-29 Infineon Technologies Ag Avalanche diode having an enhanced defect concentration level and method of making the same
US8637875B2 (en) 2008-07-11 2014-01-28 The Regents Of The University Of California Single photon IR detectors and their integration with silicon detectors
US8026471B2 (en) 2008-07-23 2011-09-27 Princeton Lightwave, Inc. Single-photon avalanche detector-based focal plane array
KR101467509B1 (ko) 2008-07-25 2014-12-01 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센서 동작 방법
DE102009029376A1 (de) 2009-09-11 2011-05-12 Robert Bosch Gmbh Photonendetektor mit paralysierbarem Photonen-empfindlichem Element, insbesondere SPAD, sowie Entfernungsmessgerät mit solchem Photonendetektor
US10739460B2 (en) 2010-08-11 2020-08-11 Apple Inc. Time-of-flight detector with single-axis scan
GB201014843D0 (en) 2010-09-08 2010-10-20 Univ Edinburgh Single photon avalanche diode for CMOS circuits
GB2486165A (en) 2010-11-30 2012-06-13 St Microelectronics Res & Dev Oven using a Single Photon Avalanche Diode (SPAD) array
GB2485995B (en) 2010-11-30 2014-01-01 St Microelectronics Res & Dev Improved proximity sensor and associated method, computer readable medium and firmware
GB2485994A (en) 2010-11-30 2012-06-06 St Microelectronics Res & Dev Navigation device using a Single Photon Avalanche Diode (SPAD) detector
WO2012135068A1 (en) 2011-03-25 2012-10-04 Drexel University Functional near infrared spectrocopy based brain computer interface
JP5633464B2 (ja) * 2011-04-22 2014-12-03 株式会社島津製作所 光脳機能計測装置
WO2013002430A1 (en) 2011-06-28 2013-01-03 Korea Institute Of Science And Technology Single photon detector in the near infrared using an ingaas/inp avalanche photodiode operated with a bipolar rectangular gating signal.
CN103733609B (zh) 2011-08-03 2017-07-11 皇家飞利浦有限公司 用于数字硅光电倍增器阵列的位置敏感的读出模式
WO2013022735A1 (en) 2011-08-05 2013-02-14 Pulsetor, Llc Electron detector including one or more intimately-coupled scintillator-photomultiplier combinations, and electron microscope employing same
US9419635B2 (en) 2011-09-08 2016-08-16 Fastree 3D Bv Time-to-digital converter and method therefor
US20160150963A1 (en) 2011-09-26 2016-06-02 Michael Lee Roukes One-photon integrated neurophotonic systems
WO2013058715A1 (en) 2011-10-20 2013-04-25 Agency For Science, Technology And Research Avalanche photodiode
WO2013066959A1 (en) 2011-10-31 2013-05-10 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Systems and methods for imaging using single photon avalanche diodes
FR2984503B1 (fr) 2011-12-16 2014-01-17 Commissariat Energie Atomique Procede de reconstruction de proprietes optiques d'un milieu diffusant a l'aide d'une combinaison d'une pluralite de transformees de mellin-laplace d'une grandeur comportant une distribution temporelle d'un signal recu, et systeme de reconstruction associe
FR2985023B1 (fr) 2011-12-23 2016-05-06 Commissariat Energie Atomique Systeme de reconstruction de proprietes optiques d'un milieu diffusant, comprenant une source de rayonnement pulsee et au moins deux detecteurs de deux types differents, et procede de reconstruction associe
US8796605B2 (en) 2012-05-04 2014-08-05 Princeton Lightwave, Inc. High-repetition-rate single-photon receiver and method therefor
US9012860B2 (en) 2012-05-15 2015-04-21 Princeton Lightwave, Inc. Dual-SPAD-based single-photon receiver
ITTO20120501A1 (it) 2012-06-08 2013-12-09 St Microelectronics Srl Dispositivo diagnostico con fotorilevatore integrato e sistema diagnostico includente il medesimo
FR2992067A1 (fr) 2012-06-13 2013-12-20 St Microelectronics Grenoble 2 Procede et dispositif d'ajustement de la tension de polarisation d'une photodiode spad
US20130342835A1 (en) 2012-06-25 2013-12-26 California Institute Of Technology Time resolved laser raman spectroscopy using a single photon avalanche diode array
US9449377B2 (en) 2012-10-09 2016-09-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Health And Human Services Imaging methods and computer-readable media
JP6017916B2 (ja) 2012-10-16 2016-11-02 株式会社豊田中央研究所 光検出器
US9478579B2 (en) 2012-10-16 2016-10-25 Omnivision Technologies, Inc. Stacked chip image sensor with light-sensitive circuit elements on the bottom chip
GB201300334D0 (en) * 2013-01-09 2013-02-20 St Microelectronics Ltd Sensor circuit
US20140211194A1 (en) 2013-01-27 2014-07-31 Quanergy Systems, Inc. Cost-effective lidar sensor for multi-signal detection, weak signal detection and signal disambiguation and method of using same
GB201301754D0 (en) 2013-01-31 2013-03-20 Malvern Instr Ltd Dynamic single photon counting system
EP2967358A4 (en) * 2013-03-13 2016-11-09 Cephalogics Llc OPTICAL TOMOGRAPHIC SENSOR AND APPARATUS AND ASSOCIATED METHODS
US9160949B2 (en) 2013-04-01 2015-10-13 Omnivision Technologies, Inc. Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
JP6383516B2 (ja) 2013-04-19 2018-08-29 ライトスピン テクノロジーズ、インク． 集積アバランシェ・フォトダイオード・アレイ
US10132928B2 (en) 2013-05-09 2018-11-20 Quanergy Systems, Inc. Solid state optical phased array lidar and method of using same
ITTO20130398A1 (it) 2013-05-16 2014-11-17 St Microelectronics Srl Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell'interferenza, e schiera di fotodiodi
US10446700B2 (en) 2013-05-22 2019-10-15 W&Wsens Devices, Inc. Microstructure enhanced absorption photosensitive devices
GB201311055D0 (en) 2013-06-21 2013-08-07 St Microelectronics Res & Dev Single-photon avalanche diode and an array thereof
GB2520232A (en) 2013-08-06 2015-05-20 Univ Edinburgh Multiple Event Time to Digital Converter
US9082675B2 (en) 2013-08-12 2015-07-14 OmniVision Technoloigies, Inc. Partitioned silicon photomultiplier with delay equalization
US10126412B2 (en) 2013-08-19 2018-11-13 Quanergy Systems, Inc. Optical phased array lidar system and method of using same
JP6090060B2 (ja) 2013-08-23 2017-03-08 株式会社豊田中央研究所 シングルフォトンアバランシェダイオード
US9442201B2 (en) 2013-09-12 2016-09-13 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. CMOS SPAD array with mixed timing pick-off for time-of-flight positron emission tomography
GB2518454A (en) 2013-09-24 2015-03-25 St Microelectronics Res & Dev Improvements in or relating to proximity sensors
GB201317968D0 (en) 2013-10-10 2013-11-27 Univ Glasgow Endoscopy capsule
US9299732B2 (en) 2013-10-28 2016-03-29 Omnivision Technologies, Inc. Stacked chip SPAD image sensor
US9401448B2 (en) 2013-11-19 2016-07-26 National Institute Of Standards And Technology Photon detector and process for detecting a single photon
US9476979B2 (en) 2013-11-28 2016-10-25 Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas Method for evaluating position and motion using time of flight detectors
US20150192677A1 (en) 2014-01-03 2015-07-09 Quanergy Systems, Inc. Distributed lidar sensing system for wide field of view three dimensional mapping and method of using same
US9625580B2 (en) 2014-01-03 2017-04-18 Princeton Lightwave, Inc. LiDAR system comprising a single-photon detector
US9312401B2 (en) 2014-01-15 2016-04-12 Omnivision Technologies, Inc. Single photon avalanche diode imaging sensor for complementary metal oxide semiconductor stacked chip applications
US9331116B2 (en) 2014-01-15 2016-05-03 Omnivision Technologies, Inc. Back side illuminated single photon avalanche diode imaging sensor with high short wavelength detection efficiency
US9466631B2 (en) 2014-05-13 2016-10-11 Stmicroelectronics S.R.L. Solid state photomultipliers array of enhanced fill factor and simplified packaging
US9702758B2 (en) 2014-06-09 2017-07-11 Kiskeya Microsystems Llc Systems and methods for readout of event-driven pixels
US9753351B2 (en) 2014-06-30 2017-09-05 Quanergy Systems, Inc. Planar beam forming and steering optical phased array chip and method of using same
WO2016003451A1 (en) 2014-07-02 2016-01-07 The Johns Hopkins University Photodetection circuit and operating method thereof
US9209320B1 (en) 2014-08-07 2015-12-08 Omnivision Technologies, Inc. Method of fabricating a single photon avalanche diode imaging sensor
US9869753B2 (en) 2014-08-15 2018-01-16 Quanergy Systems, Inc. Three-dimensional-mapping two-dimensional-scanning lidar based on one-dimensional-steering optical phased arrays and method of using same
SE538072C2 (sv) 2014-08-21 2016-02-23 Totalförsvarets Forskningsinstitut An imaging system parallelizing compressive sensing imaging
US9685576B2 (en) 2014-10-03 2017-06-20 Omnivision Technologies, Inc. Back side illuminated image sensor with guard ring region reflecting structure
US10036803B2 (en) 2014-10-20 2018-07-31 Quanergy Systems, Inc. Three-dimensional lidar sensor based on two-dimensional scanning of one-dimensional optical emitter and method of using same
US9659980B2 (en) 2014-12-19 2017-05-23 Sensl Technologies Ltd Semiconductor photomultiplier
US20160181302A1 (en) 2014-12-19 2016-06-23 Sensl Technologies Ltd Semiconductor photomultiplier
US20180014741A1 (en) * 2015-01-26 2018-01-18 Chang-An Chou Wearable physiological monitoring device
US10217889B2 (en) 2015-01-27 2019-02-26 Ladarsystems, Inc. Clamped avalanche photodiode
US9368487B1 (en) 2015-01-28 2016-06-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Semiconductor device with dynamic low voltage triggering mechanism
LU92664B1 (de) 2015-02-24 2016-08-25 Leica Microsystems Vorrichtung und verfahren zum detektieren von licht
US9861319B2 (en) 2015-03-23 2018-01-09 University Of Kentucky Research Foundation Noncontact three-dimensional diffuse optical imaging of deep tissue blood flow distribution
US9574936B2 (en) 2015-03-24 2017-02-21 Sharper Shape Oy Planar imaging sensor having plural photo detector groups with different detection windows
US9529079B1 (en) * 2015-03-26 2016-12-27 Google Inc. Multiplexed multichannel photodetector
EP3081963B1 (en) 2015-04-15 2020-11-11 ams AG Avalanche diode arrangement and method for providing a detection signal
US9867250B1 (en) 2015-04-20 2018-01-09 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona System having a configurable pico-second pulsed LED driver circuit and photomultiplier tube biasing and gating circuits for real-time, time-resolved transient recording of fluorescence
US9768211B2 (en) 2015-05-06 2017-09-19 LightSpin Technologies Inc. Integrated avalanche photodiode arrays
US9968927B2 (en) 2015-05-22 2018-05-15 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Optical biosensor device
US9450007B1 (en) 2015-05-28 2016-09-20 Stmicroelectronics S.R.L. Integrated circuit with reflective material in trenches and related methods
FR3036851B1 (fr) 2015-05-29 2017-06-23 Commissariat Energie Atomique Photodetecteur a haut rendement quantique
US20160357260A1 (en) 2015-06-03 2016-12-08 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Distance independent gesture detection
US10976257B2 (en) 2015-06-08 2021-04-13 The Regents Of The University Of Michigan Pixel circuit and method for optical sensing
FR3037442B1 (fr) 2015-06-11 2018-07-06 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Photodiode spad couverte d'un reseau
US9767246B2 (en) 2015-06-17 2017-09-19 General Electric Company Adjustment and compensation of delays in photo sensor microcells
EP3320559B1 (en) 2015-07-08 2021-03-03 The Commonwealth of Australia Spad array structures and methods of operation
EP3124992B1 (de) 2015-07-27 2017-07-12 Sick Ag Lichtempfänger mit lawinenphotodioden im geiger-modus und verfahren zum auslesen
EP3709362B1 (en) 2015-08-04 2021-07-14 Artilux Inc. Germanium-silicon light sensing method
US10620300B2 (en) 2015-08-20 2020-04-14 Apple Inc. SPAD array with gated histogram construction
US9893112B2 (en) 2015-08-27 2018-02-13 Artilux Corporation Wide spectrum optical sensor
US9886095B2 (en) 2015-09-24 2018-02-06 Stmicroelectronics Sa Device and method for recognizing hand gestures using time-of-flight sensing
GB2542811A (en) 2015-09-30 2017-04-05 Stmicroelectronics (Research & Development) Ltd Sensing apparatus having a light sensitive detector
EP3234950B1 (en) 2015-10-30 2022-07-13 Shanghai United Imaging Healthcare Co., Ltd. Anti-scatter grid for radiation detector
US10170461B2 (en) 2015-11-16 2019-01-01 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. ESD hard backend structures in nanometer dimension
FR3043797A1 (zh) 2015-11-16 2017-05-19 Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas
EP3182095B1 (en) 2015-12-18 2019-10-09 STMicroelectronics (Research & Development) Limited Apparatus for use in luminescence applications
US10324171B2 (en) 2015-12-20 2019-06-18 Apple Inc. Light detection and ranging sensor
US10014340B2 (en) 2015-12-28 2018-07-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Stacked SPAD image sensor
US9671284B1 (en) 2016-01-14 2017-06-06 Kiskeya Microsystems Llc Single-photon avalanche diode circuit with variable hold-off time and dual delay regime
US10928472B2 (en) 2016-01-14 2021-02-23 Technion Research & Development Foundation Limited System and method for brain state classification
WO2017130682A1 (ja) 2016-01-29 2017-08-03 パナソニック・タワージャズセミコンダクター株式会社 固体撮像装置
US9939536B2 (en) 2016-02-19 2018-04-10 Sensi Technologies Ltd. Semiconductor photomultiplier with baseline restoration for a fast terminal signal output including output loads to correct an overshoot of an output signal (as amended)
EP3407376B1 (en) 2016-02-29 2020-04-01 Towerjazz Panasonic Semiconductor Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing same
CA3022417C (en) 2016-04-26 2022-10-18 Illinois Institute Of Technology Apparatus and method for enhanced early photon detection in optical projection tomography
ITUA20162954A1 (it) 2016-04-28 2017-10-28 St Microelectronics Srl Dispositivo a semiconduttore per la rilevazione di radiazione ultravioletta e infrarossa e relativo metodo di fabbricazione
WO2017203936A1 (ja) 2016-05-25 2017-11-30 パナソニック・タワージャズセミコンダクター株式会社 固体撮像素子
EP3258228B1 (de) 2016-06-17 2018-05-09 Sick Ag Lichtempfänger mit lawinenphotodioden im geiger-modus und verfahren zum auslesen
JP6819098B2 (ja) 2016-07-01 2021-01-27 株式会社リコー 物体検出装置、センシング装置及び移動体装置
GB201611819D0 (en) 2016-07-07 2016-08-17 Univ Court Of The Univ Of Edinburgh The Imaging method and apparatus
US9882003B1 (en) 2016-07-11 2018-01-30 Tower Semiconductor Ltd. Device and system of a silicon controlled rectifier (SCR)
US10153310B2 (en) 2016-07-18 2018-12-11 Omnivision Technologies, Inc. Stacked-chip backside-illuminated SPAD sensor with high fill-factor
US9955090B2 (en) 2016-07-20 2018-04-24 Omnivision Technologies, Inc. High dynamic range image sensor with virtual high-low sensitivity pixels
US10141458B2 (en) 2016-07-21 2018-11-27 Omnivision Technologies, Inc. Vertical gate guard ring for single photon avalanche diode pitch minimization
IT201600079027A1 (it) 2016-07-27 2018-01-27 St Microelectronics Srl Schiera di fotodiodi a valanga operanti in modalita' geiger per la rilevazione di radiazione infrarossa
US10890649B2 (en) 2016-08-11 2021-01-12 Qualcomm Incorporated System and method for measuring reference and returned light beams in an optical system
GB201614188D0 (en) * 2016-08-19 2016-10-05 Gowerlabs Ltd Devices and apparatus for measuring changes in chromophore concetration and light guide for use therewith
US10305247B2 (en) 2016-08-30 2019-05-28 Apple Inc. Radiation source with a small-angle scanning array
US10475835B2 (en) 2016-09-05 2019-11-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor device structure and manufacturing process thereof
US9881963B1 (en) 2016-09-13 2018-01-30 Omnivision Technologies, Inc. Horizontal avalanche photodiode
WO2018057085A1 (en) 2016-09-22 2018-03-29 Apple Inc. Adaptive transmission power control for a lidar
US10658419B2 (en) 2016-09-23 2020-05-19 Apple Inc. Stacked backside illuminated SPAD array
EP3301476B1 (en) 2016-09-28 2023-03-15 STMicroelectronics (Research & Development) Limited Apparatus having a camera and a time of flight single photon avalanche diode based range detecting module for controlling the camera and corresponding method
EP3309581A1 (en) 2016-10-12 2018-04-18 STMicroelectronics (Research & Development) Limited Apparatus for controlling driver current for illumination source
JP7058479B2 (ja) 2016-10-18 2022-04-22 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光検出器
USD817553S1 (en) 2016-10-31 2018-05-08 Smith Optics, Inc. Helmet
FR3060250B1 (fr) 2016-12-12 2019-08-23 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Capteur d'image pour capter une image en 2d et une profondeur
US10002986B1 (en) 2016-12-19 2018-06-19 Waymo Llc Hybrid integration of photodetector array with digital front end
USD825112S1 (en) 2017-01-06 2018-08-07 Manuel Saez Programmable electronic helmet design
US10527728B2 (en) 2017-01-27 2020-01-07 Samsung Electronics Co., Ltd Apparatus and method for range measurement
US10016137B1 (en) 2017-11-22 2018-07-10 Hi Llc System and method for simultaneously detecting phase modulated optical signals
US10219700B1 (en) 2017-12-15 2019-03-05 Hi Llc Systems and methods for quasi-ballistic photon optical coherence tomography in diffusive scattering media using a lock-in camera detector
US10158038B1 (en) 2018-05-17 2018-12-18 Hi Llc Fast-gated photodetector architectures comprising dual voltage sources with a switch configuration

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010020863A1 (en) * 2000-03-09 2001-09-13 Sergio Cova Circuit for high precision detection of the time of arrival of photons falling on single photon avalanche diodes
JP2006297125A (ja) * 2006-06-19 2006-11-02 Hitachi Ltd 生体光計測装置
CN201078806Y (zh) * 2007-07-03 2008-06-25 重庆大学 硅光电检测器
JP2012060012A (ja) * 2010-09-10 2012-03-22 Toyota Central R&D Labs Inc 光検出器
JP2014124380A (ja) * 2012-12-27 2014-07-07 Spectratech Inc 素子を装着するためのホルダ及び同ホルダを用いた生体情報計測装置
CN105319559A (zh) * 2014-07-14 2016-02-10 全视科技有限公司 飞行时间感测单元及飞行时间感测***
CN206401341U (zh) * 2015-12-20 2017-08-11 苹果公司 感测设备
CN107941248A (zh) * 2016-10-12 2018-04-20 意法半导体(R&D)有限公司 基于单光子雪崩二极管的范围检测装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STEPHEN BELLIS等: "Photon counting imaging the Digital APD", 《PROCEEDINGS OF SPIE》, 6 February 2006 (2006-02-06), pages 1 - 60680 *
TANJA DRAGOJEVI´C等: "Compact, multi-exposure speckle contrast optical spectroscopy (SCOS) device for measuring deep tissue blood flow", 《BIOMEDICAL OPTICSEXPRESS》, 1 January 2018 (2018-01-01), pages 322 - 334 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210010912A (ko) 2021-01-28
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US10158038B1 (en) 2018-12-18
CA3096824A1 (en) 2019-11-21

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