[發(fā)明專利]一種單光子飛行時間檢測電路及測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810959526.0
• 申請日: 2018-08-22
• 公開（公告）號: CN109374139B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐躍;李鼎;魯繼遠(yuǎn)
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種單光子飛行時間檢測電路，該電路包括轉(zhuǎn)換控制邏輯單元，時間?模擬轉(zhuǎn)換單元和n位數(shù)字計時/計數(shù)單元。外部單光子探測器輸出的外部光子雪崩信號作為轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的輸入和n位數(shù)字計時/計數(shù)單元的輸入，轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的第一輸出端接時間?模擬轉(zhuǎn)換單元的輸入，轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的第二輸出端接n位數(shù)字計時/計數(shù)單元的控制輸入，時間?模擬轉(zhuǎn)換單元輸出光子飛行時間模擬信號，n位數(shù)字計時/計數(shù)單元輸出n位計時/計數(shù)信號。本發(fā)明同時公開了一種使用該單光子飛行時間檢測電路進(jìn)行光子飛行時間測量的方法。本發(fā)明結(jié)合了時間?數(shù)字轉(zhuǎn)換和時間?模擬轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢，可以在鎖相環(huán)時鐘頻率較低時獲得極高的時間分辨率，并顯著擴大了光子飛行時間的測量范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測量單光子飛行時間的時間-模數(shù)混合轉(zhuǎn)換電路，屬于單光子探測和光子飛行時間(TOF)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于具有探測靈敏度高、響應(yīng)速度快、面積小、功耗低和CMOS工藝完全兼容等顯著優(yōu)勢，單光子雪崩二極管(Single-Photon Avalanche Diode,SPAD)已在激光測距、熒光壽命成像、DNA測序和3D成像等方面顯示出廣泛的應(yīng)用前景。而這些應(yīng)用領(lǐng)域都需要對光子飛行時間(time-of-flight,TOF)進(jìn)行測量來獲得時間相關(guān)的單光子計數(shù)/計時結(jié)果。目前單光子飛行時間的直接測量方法主要有時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換和時間-模擬轉(zhuǎn)換兩種方法。用于單光子飛行時間測量的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路雖然具有測量距離長、抑制噪聲和干擾能力強等優(yōu)點，但是存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，像素單元填充因子低和陣列集成度不高的問題。用于單光子飛行時間測量的時間-模擬轉(zhuǎn)換電路相比于上述時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，具有時間分辨率高，像素單元填充因子高和陣列集成度高的優(yōu)勢，但是測量距離的范圍較短，無法完成遠(yuǎn)距離測量。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種能夠同時提高時間分辨率和探測距離的單光子飛行時間測量電路，并有效提高了單光子飛行時間測量電路的像素單元填充因子和陣列集成度。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種單光子飛行時間檢測電路，該電路包括轉(zhuǎn)換控制邏輯單元，時間-模擬轉(zhuǎn)換單元和n位數(shù)字計時/計數(shù)單元；外部單光子探測器輸出的外部光子雪崩信號作為轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的輸入和n位數(shù)字計時/計數(shù)單元的輸入，轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的第一輸出端接時間-模擬轉(zhuǎn)換單元的輸入，轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的第二輸出端接n位數(shù)字計時/計數(shù)單元的控制輸入，時間-模擬轉(zhuǎn)換單元輸出光子飛行時間模擬信號，n位數(shù)字計時/計數(shù)單元輸出n位計時/計數(shù)信號。

所述的轉(zhuǎn)換控制邏輯單元，包括第一RS觸發(fā)器，D觸發(fā)器和二輸入異或門；第一RS觸發(fā)器的S端接收外部光子雪崩信號，第一RS觸發(fā)器的R端接收外部復(fù)位信號，第一RS觸發(fā)器的Q端連接D觸發(fā)器的D端和二輸入異或門的一個輸入端，D觸發(fā)器的cp端連接外部時鐘信號，D觸發(fā)器的Q端連接二輸入異或門的另一個輸入端，二輸入異或門輸出端為轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的第一輸出端，輸出第一控制信號Inf，D觸發(fā)器的Q端為轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的第二輸出端，輸出第二控制信號Con。

所述的時間-模擬轉(zhuǎn)換單元，包括時間-模擬轉(zhuǎn)換電路和讀出選擇開關(guān)；時間-模擬轉(zhuǎn)換電路的in端接收轉(zhuǎn)換控制邏輯單元的第一控制信號Inf，時間-模擬轉(zhuǎn)換電路的R端連接外部復(fù)位信號，時間-模擬轉(zhuǎn)換電路的out端連接讀出選擇開關(guān)，通過外部讀信號控制輸出光子飛行時間模擬信號。