[发明专利]一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法

说明书

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。