[发明专利]基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及生物成像芯片领域，尤其涉及实时荧光寿命成像领域。具体讲,涉及基于事件 驱动读出方式的SPAD图像传感器。

背景技术

荧光寿命成像(Fluorescencelifetimeimagingmicroscopy，FLIM)是一种广泛应用 于生物学、医学领域的生物分子识别方法。荧光寿命成像技术是利用合适波长的入射脉冲光 对生物样品进行激发，通过测量生物组织中的自发荧光发光强度衰减过程时间的不同，来获 得荧光团分子内部的能级结构，同时可用来区分样品中的不同分子种类的成像技术。荧光寿 命成像广泛应用在生命科学、医学领域，如细胞生物学、癌症的诊断、器官组织分析、药品 的传递和释放、血液病理学等领域。

目前利用内光电效应进行单光子探测的单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalanche PhotoDiode，SPAD)逐渐发展了起来。它除了单光子的探测灵敏度和皮秒量级的响应速度两 个基本特点外，最明显的优势在于作为一种固态平面器件，SPAD可以使用CMOS半导体工艺 制造，实现阵列集成，可以使用少的多的激光激发次数完成一次成像，大大提高FLIM成像的 速度。但是由于SPAD发展时间较短，将其应用于大阵列的时间相关单光子计数成像仍存在着 若干亟待解决的问题。

非常重要的一点是其在大阵列下的高速读出问题。像素每检测到一个光子，就会产生一 个事件，需要处理时间数据并进行输出。这就导致了即使是在低分辨率的阵列中，也需要很 大的带宽来转移读出数据。如何实现高分辨率的SPAD图像传感器高速读出以及数据压缩也是 急需解决的问题。传统的读出方式，如顺序读出，在像素数目较多的情况下无法进行快速的 输出；后来，使用了列级时间-数字转化电路(Timetodigitalconversion，TDC)实现了 行并行读出，这种读出方式提高了填充率，读出速度也较高；后来又出现了像素级的TDC， 在每个像素内部集成SPAD与TDC，实现像素级的并行输出。由于实际成像过程中，每个像素 检测到光子的概率只有1％，所以每一次脉冲激光后，像素阵列检测到的光子数目不会很多。

发明内容

为克服现有技术的不足，提出一种用于荧光寿命成像的图像传感器芯片结构，能够大大 减少数据输出量，减小输出I/O(input/output，输入输出)口带宽的压力，提高像素的填 充因子。为此，本发明采取的技术方案是，基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，由像 素阵列、处理电路组成，其中像素阵列为N×N，每个像素内部含有SPAD器件、淬灭电路、 校准电路以及单稳态电路，作用是在检测到一个雪崩事件后输出电压脉冲；每(N/2)×(N/2) 像素对应一套处理电路，共有4套处理电路，处理电路包括TDC阵列、地址记录模块、或门 和与门组成的Or-tree以及读出电路；Or-tree的作用是汇总(N/2)×(N/2)像素的电压脉冲； 地址记录电路将电压脉冲产生像素的列地址与行地址进行编码；TDC用于量化电压脉冲发生 的时间。

Or-tree电路是由门级电路组合构成的能够实现多输入单输出的“或”操作的Or-tree 电路。

Or-tree是N/2个输入和1个输出的模块，N/2个像素输出总线相邻总线连接到一个或非 门，两个相邻或非门的输出连接到一个与非门，所有与非门的输出连接到一个总的多输入单 输出的或门。通过该电路实现所有总线的“或”操作。

当检测到光子后，Or-tree将像素阵列的信号通过“或”操作进行汇总，将电压脉冲送 入TDC中进行时间信息的量化；同时列与行的位置信息由地址记录电路对列总线与行总线输 出进行编码得到；最后通过读出电路将像素输出和像素地址输出。

当检测到光子后，像素阵列内部Or-tree会将光子引起的脉冲汇总至阵列的N/2条行总 线与N/2条列总线中，进而两个阵列外Or-tree会进一步汇总行、列总线上的脉冲，最终高 度汇总的脉冲会经过一个寄存器链，将电压脉冲依次送入不同的TDC中进行时间信息的量化； 同时列与行的位置信息由N/2位到(log2N+1)位编码器对列总线与行总线输出编码得到，位编 码器中有1位为数据有效标志位，然后结果会存入到相应的寄存器中，这个过程也由最终高 度汇总的脉冲控制；为了保证数据的有效性，只有当时间数据、行位置数据与列位置数据数 量相等时，此次曝光周期输出的数据方可有效。