[發明專利]一種適用于SPAD陣列的帶時間信息的像素地址編碼電路

在審

• 申請號: 202210516980.5
• 申請日: 2022-05-12
• 公開（公告）號: CN114972553A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 孔祥順;閆虎;毛成;閆鋒;趙桂升;陳浩;何虹村;孫昕
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06T9/00
• 分類號: G06T9/00
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務所 32305
• 代理人: 李媛媛

本發明提供一種適用于SPAD陣列的帶時間信息的像素地址編碼電路。該電路包括由N個SPAD探測單元組成的SPAD探測陣列、2條延時鏈、2個TDC電路和讀出電路，SPAD探測單元用于探測光子并輸出電壓脈沖；2條延時鏈向相反方向傳遞延時，每條延時鏈均包含N個延時時間為τ的基礎延時單元，每個SPAD探測單元同時與2條延時鏈中對應的基礎延時單元連接，SPAD探測單元輸出的電壓脈沖同時在2條延時鏈中進行反向傳遞；2條延時鏈的末端分別連接1個TDC電路；讀出電路對2個TDC電路的數據進行讀取。本發明采用數字化電路方案，結構簡單，無需專門的解碼電路提取地址數據，可直接通過計算得到像素地址信息。

技術領域

本發明涉及一種單光子雪崩二極管探測器陣列的集成電路領域，特別是涉及適用于SPAD陣列的帶時間信息的像素地址編碼電路。

背景技術

單光子雪崩二極管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)作為一種光電探測器件，具有響應快、增益高等特點。SPAD器件工作在蓋革模式下，當SPAD檢測到光子輸入時，在淬滅電路的共同作用下輸出一個脈沖信號。該脈沖信號的上升時間極短，經過整形電路可有效攜帶時間信息，常用于飛行時間測距式激光雷達。

在SPAD陣列集成過程中，需要考慮SPAD器件和TDC電路匹配問題，通常采用單個像素配置一個TDC電路或一個像素面陣陣列配置一列TDC電路的方式。然而，單個像素配置一個TDC電路的方式具有陣列版圖面積大，像素占空比低，功耗高等缺點；一個像素面陣陣列配置一列TDC電路的方式具有面陣陣列不可同時工作的缺點。為此，需要一種適用于SPAD陣列的帶時間信息的像素地址編碼電路，采用一個SPAD陣列配置若干個TDC電路的方式，經過地址編碼信息反推發生響應的器件的位置信息，實現陣列同時工作的同時減小了版圖面積，提高了像素占空比，也降低了功耗。現有的編碼電路如采用組合邏輯實現，一般需要的電路較為復雜，且需要配合專用解碼電路；如采用電阻分壓等模擬方式實現，則電路的響應速度較慢，且存在一定的靜態功耗。

發明內容

本發明針對SPAD探測器在陣列集成過程中器件與電路匹配存在的問題，以及現有地址編碼電路的不足，提出了一種適用于SPAD陣列的帶時間信息的像素地址編碼電路，可將光信號高速轉換為帶有地址信息的信號對外進行輸出，并通過信號的時間信息反推獲取相應地址信息。

本發明采用的技術方案為：

一種適用于SPAD陣列的帶時間信息的像素地址編碼電路，包括由N個SPAD探測單元組成的SPAD探測陣列、2條延時鏈、2個TDC電路和讀出電路，所述SPAD探測單元用于探測光子并輸出電壓脈沖；所述2條延時鏈向相反方向傳遞延時，每條延時鏈均包含N個延時時間為τ的基礎延時單元，每個SPAD探測單元同時與2條延時鏈中對應的基礎延時單元連接，所述SPAD探測單元輸出的電壓脈沖同時在2條延時鏈中進行反向傳遞；2條延時鏈的末端分別連接1個TDC電路；所述讀出電路對2個TDC電路的數據進行讀取，經過計算得到像素地址信息及脈沖時間信息。

進一步地，每條延時鏈均采用兩輸入OR門作為基礎延時單元，兩輸入OR門的第一輸入端連接到SPAD探測單元的輸出端，其第二輸入端連接上一級兩輸入OR門的輸出端，兩輸入OR門的輸出端連接下一級兩輸入OR門的第二輸入端，一列兩輸入OR門以上述方式連接組成一條延時鏈；所述延時鏈第一級兩輸入OR門的第二輸入端接地，始終輸入“0”；最后一級兩輸入OR門的輸出端連接TDC電路。

進一步地，所述SPAD探測單元包括SPAD器件、淬滅電路和整形電路，SPAD器件發生響應后在淬滅電路和整形電路的作用下，對外輸出電壓脈沖，所述電壓脈沖攜帶時間信息，在2條延時鏈中反向傳遞至2個TDC電路，觸發TDC電路產生時間信息。