[发明专利]一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法

说明书

本发明公开了一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法，包括同步模块及由若干像素单元组成的像素阵列，所述每个像素单元包括APD探测器、接口电路、计数器、存储器以及死区时间可调电路；所述死区时间可调电路，用于根据接收的标准脉冲电压计数信号状态经延迟时间后产生使得接口电路复位的复位信号，且根据接收的当前曝光时间内像素的计数值即当前帧的计数值，根据判别的当前帧计数值的大小产生控制信号以调节下一帧的延迟时间大小。本发明可以判断光强强弱来自动调节死区时间大小，提高检测效率，通过与传感器的配合，可合理应用于大阵列读出电路系统中，进而实现成像应用。

技术领域

本发明涉及一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法，属于光子计数成像的技术领域。

背景技术

光子计数成像技术利用具备单光子检测灵敏度的光电二极管，通过对目标场景的高精度采样和反演计算得到微弱光信号的二维分布情况，进而获取该目标场景的光子图像。光子计数检测以其高灵敏度、高信噪比和时间稳定性好等特点，在激光雷达、光谱测量和量子密钥分配等诸多领域有着广泛的应用。雪崩光电二极管(APD)固态单光子探测器是一种利用半导体载流子在强电场区相互碰撞电离效应激发雪崩大电流的固体器件。当APD两端的反向偏压高于其固有的雪崩击穿电压时，即器件工作于盖革模式(GM)下，此时APD具有极高的检测灵敏度、单光子信号即可触发雪崩电流，即具备单光子探测能力。GM-APD单光子探测器具备全固态结构和量子效率高的优点，并且在高增益工作条件下具备良好的信噪比，单光子新型探测器件和相应的读出电路(ROIC)系统等正成为国内外光电子学家重点关注的研究领域之一。

传统的光子技术检测系统为在曝光控制信号有效区域内对外部光子进行检测的门控采样模式，在曝光控制信号无效区域内即使有光子到来也屏蔽光子感应，停止检测计数。但由于其固有的光子漏检和误检特性约束，很难从根本上解决探测率低下的问题。此外，固定工作频率的门控探测模式还存在与光子分布难以匹配的问题，外部配置或动态自适应配置曝光控制信号频率都只能一定程度上缓解问题，不能从根本上解决探测率随机变化过大的问题。在光子计数成像检测中，光子的到达时刻随机，主动式门控采样模式与随机到达的光子严重失配，必然导致探测率大幅降低，导致检测失真，无法用于成像检测应用。

因此，光强在宽动态范围变化时，若死区时间无法相应自动调节会造成系统的检测精度下降，会影响成像质量。并且随着APD阵列规模、探测率和检测灵敏度等指标的不断提高，APD线阵的非均匀性、寄生效应和噪声干扰等非理想因素对电路的负面影响越发严重，与之相配合的ROIC读出电路的设计复杂度和成本也急剧增加。

因此，一种基于自适应探测模式的光子计数线阵读出电路的设计对于阵列SPAD实际应用至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路及方法，解决现有的光子计数电路中死区时间无法自动调节会造成系统的检测精度下降影响成像质量的问题，采用死区时间自动调节电路技术可以减少光强宽动态范围分布引发特定条件下的漏计数与误计数。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种自适应探测模式的光子计数线阵读出电路，包括同步模块及由若干像素单元组成的像素阵列，所述每个像素单元包括APD探测器、接口电路、计数器、存储器以及死区时间可调电路；所述APD探测器，用于根据时序检测宽动态变化光子的雪崩电流；所述接口电路，用于将雪崩电流进行I-V转换，产生标准脉冲电压计数信号；所述计数器，用于在当前曝光时间内对感应的标准脉冲电压计数信号进行计数获得像素的计数值；所述存储器，用于存储当前曝光时间内计数器对每个像素的计数值，并在下一个曝光时间内将每个像素的计数值传输；所述死区时间可调电路，用于根据接收的标准脉冲电压计数信号状态经延迟时间后产生使得接口电路复位的复位信号，且将所接收的当前曝光时间内像素的计数值确定为当前帧的计数值，根据判别的当前帧的计数值大小产生控制信号以调节下一帧的延迟时间大小。