[发明专利]基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路

说明书

本发明公开了一种基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，包括由多个阵列像素单元构成的二维像素面阵、面阵外围附加的辅助像素单元、量化模式配置模块、时序控制模块及片内时钟产生电路。所述的阵列像素单元均包含APD探测器输入端口、AQC接口电路、阵列型TDC和寄存器。此读出电路工作在门控帧频探测模式下，通过判断当前帧辅助像素TOF的量化值大小来区分近距离探测和远距离探测，同时产生相应的控制信号来自适应地调节下一帧读出电路的数据量化模式。通过读出电路在不同量化模式之间的合理切换，可实现宽量程条件下的低功耗单光子探测成像。

技术领域

本发明涉及一种基于双模切换的低功耗宽量程阵列型光子计时读出电路，属于单光子计时测距成像技术领域。

背景技术

基于光子飞行时间(TimeofFlight，TOF)测量的单光子计时测距成像技术，是集光电学、微电子、图像处理和计算机技术于一体的现代高新技术，其中集成的雪崩光电二极管(AvalanchePhotonDiode，APD)探测器可感应单个光子并触发光电流信号，读出电路(Readout IntegratedCircuit，ROIC)将此电流信号转换为电压脉冲信号，再由阈值比较器检测出表征光子到达时刻的STOP信号，结合光子发射的START时刻，由ROIC中各像素内的时间数字转换器(Time-to-DigitalConverter，TDC)得到各像素的TOF量化值，将所有像素的TOF量化值串行读出到外部计算机中，再通过计算机结合相关图像处理算法对读出的数据进行处理，最终实现对被测目标的距离检测和轮廓成像。工作在盖革模式下的APD探测器，具有单光子探测灵敏度、暗计数率低、响应时间快、高增益、高信噪比、高稳定性、宽光谱响应范围、全固态结构以及体积小、重量轻、功耗低等显著特点，由此构成的单光子计时测距成像，同样继承了灵敏度高、分辨率高和快速高效等优点，尤其适合微弱光强检测，在诸如夜视系统、激光雷达探测、无人机监测、机器人视觉等众多研究领域中都有着现实的应用潜力。近年来，对新型单光子探测器及相应的高性能ROIC系统研究已成为国内外诸多研究机构和商业公司的重点关注领域。

作为APD探测器和图像处理系统之间的前端信号检测处理电路，ROIC直接决定了整个单光子计时测距成像系统的性能，其中基于TDC的TOF测量技术，其像素单元具备抗干扰能力强，时序简单等显著优点，具有模数转换器无可替代的优势。为配合盖革模式下APD的正常探测和淬灭，APD及其ROIC必须工作在门控帧频探测模式下，一个完整的门控周期(即完整的一帧周期)可分为两个阶段：门控信号EN的有效窗口内启动APD以检测光子，EN的有效窗口外则传输获得的TOF量化值。单帧量化模式下，通常EN的有效窗口最大不能超出阵列像素内TDC的检测量程，ROIC在激光发射的同时启动各阵列像素内的TDC在EN的有效窗口内开始高频计数，直到各像素内的APD检测到被测目标反射回的光子并产生STOP信号后，立刻停止像素内的TDC量化并锁存各像素的TOF量化值，并在EN的有效窗口外将锁存的TOF量化值读出，即在一帧内得到一次探测产生的包含被测目标距离信息和景深信息的完整TOF量化值。

对于激光雷达等远距离探测应用，需要具备远距离捕捉动态目标轨迹的能力，则要求ROIC系统能实现对宽动态范围目标的高性能成像。但在特定的时间分辨率指标约束下，驱动阵列像素内TDC计数的时钟周期很小，单帧量化模式下的ROIC只能依靠增加阵列像素内TDC的计数器位数来增加系统的探测量程，因此会消耗相当多的像素面积，减小APD探测器的填充因子，从而降低ROIC的整体探测性能，并且探测量程无法有效扩展。此外，随着对成像质量要求的不断提高，ROIC系统的阵列规模和成像速度不断提升。对于较长时间的TOF量化，在单帧量化模式下则意味着ROIC中各阵列像素内的TDC将长时间处在高频计数状态，系统功耗则急剧增加。过高的系统功耗不仅严重影响APD探测器的探测性能和ROIC工作时序的可靠性，也会对系统芯片的封装和散热提出更高的要求从而增加了成本和设计复杂度。很明显，过高的系统功耗已成为影响ROIC系统规模扩展的首要限制因素，ROIC阵列规模的持续扩展强烈依赖于降低ROIC的系统功耗。从系统功耗降低、节省芯片面积、检测性能提升等成效考虑，一种能根据被测目标距离自适应动态调节其量化模式的宽量程低功耗读出电路系统，具有显著的实际工程应用价值。