用于数字硅光电倍增器阵列的位置敏感的读出模式的制作方法
【专利摘要】一种光子探测器（10）包括探测器阵列（12），所述探测器阵列包括单光子雪崩二极管（SPAD）探测器（14），所述单光子雪崩二极管（SPAD）探测器被配置为响应于光子的冲击而击穿。触发电路（34）被配置为响应于所述探测器阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号。锁存器（20、22）被配置为存储所述探测器阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标。所述锁存器被配置为响应于由所述触发电路生成的触发信号而锁存。所述锁存器可以包括行锁存器（22）和列锁存器（20），所述行锁存器每个均与所述探测器阵列的对应行的SPAD探测器的逻辑“或”组合相连接，所述列锁存器每个均与所述探测器阵列的对应列的SPAD探测器的逻辑“或”组合相连接。时间数字转换器（TDC）电路（28）可以为所述触发信号生成数字时间戳。
【专利说明】用于数字硅光电倍增器阵列的位置敏感的读出模式
【技术领域】
[0001]下文涉及辐射探测技术。本发明尤其涉及应用于物理学、天文学、诸如正电子发射断层摄影(PET)或单光子发射断层摄影(SPECT)的辐射成像等中的高速以及高空间分辨率辐射探测器。
【背景技术】
[0002]光子计数光探测在各种领域(例如物理学、天文学和医疗成像)中都有应用。通过一些说明性范例，光子计数光探测在诸如切连科夫探测器的物理应用、诸如光探测及测距(LIDAR)应用的工程应用、诸如低光照荧光测量的生物学应用、低光照天文望远镜设施等中是有用的。(如本文使用的，术语“光子”是指电磁辐射的量子粒子。术语“光子”涵盖可见光光子，例如与632.8nm HeNe激光的一个量子粒子对应的1.96eV光子。术语“光子”还涵盖位于可见光谱外部的“光”或电磁能量的量子粒子。例如，术语“光子”还涵盖紫外辐射或红外辐射的量子粒子)。
[0003]常规上使用光电倍增管(PMT)探测器实施光子计数，这种探测器包括光敏光阴极和一组“倍增器”阳极端子。光阴极响应于光子的冲击发射至少一个电子，并且(一个或多个)电子接着又相继撞击阳极端子，每个这样的事件都导致电子喷流的发射，从而产生倍增效应，以形成可测量的电脉冲。PMT能够进行高速光子计数。PMT探测器的缺点包括:其是具有大光学窗口的较笨重分离的设备，这些设备以高电压运行并容易因为电子管设计和高的运行电压而出现故障。
[0004]已经开发出硅光电倍增管(SiPM)设备以克服这些缺点中的一些，并提供容易与硅基信号/数据处理电路集成的光子计数探测器。在一些实施例中，SiPM设备采用雪崩光电二极管作为光传感器。当被偏置到其击穿电压以上时，雪崩二极管响应于单个光子的冲击而进入击穿。这样的设备有时被称为单光子雪崩二极管(SPAD)探测器。在典型的SPAD探测器中，雪崩光电二极管被反向偏置到其击穿电压以上并与降压电阻串联。单个光子的冲击导致p-n结在电子的倍增(即“雪崩”)喷流中击穿，该喷流流入SPAD探测器中成为可测量的电流。这一电流较快被淬灭，因为由于电流的原因，电阻上的电压将雪崩二极管两端的反向偏压降低到低于其击穿电压的水平。额外地或备选地，包括(例如)一个或多个二极管、电阻器和/或晶体管的有源淬熄子电路能够提供更快的淬灭。
[0005]SPAD探测器相对小，但通过SPAD探测器的二维阵列能够实现更大面积的探测。读出能够是模拟的或数字的。在模拟设计中，在逻辑“或”电路中互连SPAD探测器，使得任一个SPAD探测器的击穿都会激活逻辑“或”组合。在数字设计中，该阵列操作在积分时段之后读出的数字计数。在任一种情况下，读出电路都具有单一通道。
[0006]对于一些应用而言，例如飞行时间正电子发射断层摄影(PET)成像，探测时间是重要的。有利地，可以将包括时间数字转换(TDC)电路的硅基时间戳与用于这一目的的硅平台上的SPAD阵列单片集成。
[0007]然而，利用SPAD阵列实现高空间分辨率是困难的。采用SPAD探测器的逻辑“或”组合的现有设计不能区分出组合中的哪个SPAD探测器探测到光子。潜在的解决方案是为每个SPAD探测器提供个体化的读出电路。然而，这会增大系统复杂性和成本，因为每个SPAD会具有其自己的读出通道。利用SPAD阵列既实现高空间分辨率又实现高时间分辨率更加困难。为每个SPAD探测器既提供个体化的读出又提供个体化的时间戳通常是不现实的。
[0008]下文预见到克服上述限制和其他限制的改进的装置和方法。
【发明内容】
[0009]根据一个方面，一种装置包括光子探测器，所述光子探测器包括:探测器阵列，其包括单光子雪崩二极管(SPAD)探测器，所述单光子雪崩二极管(SPAD)探测器被配置为响应于光子的冲击而击穿；触发电路，其被配置为响应于所述探测器阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号；以及锁存器，其被配置为存储所述探测器阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标，所述锁存器被配置为响应于由所述触发电路生成的触发信号而锁存。
[0010]根据另一方面，一种方法包括:提供探测器阵列，所述探测器阵列包括单光子雪崩二极管(SPAD)探测器，所述单光子雪崩二极管(SPAD)探测器被配置为响应于光子的冲击而在一个位置击穿；提供锁存器，所述锁存器被配置为存储所述探测器阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标；响应于所述探测器阵列的SPAD探测器的击穿生成触发信号；并且响应于所述触发信号锁存所述锁存器。
[0011]根据另一方面，一种装置包括光子探测器，所述光子探测器包括:单光子雪崩二极管(SPAD)探测器的阵列(12);锁存器，其被配置为存储所述阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标；触发电路，其被配置为响应于所述阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号，其中，所述触发信号导致所述锁存器的锁存；以及处理电路，其被配置为基于锁存的锁存器中存储的位置坐标输出光子探测位置。
[0012]根据另一方面，一种装置包括光子探测器，所述光子探测器包括:单光子雪崩二极管(SPAD)探测器的阵列；锁存器，其被配置为存储所述阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标；触发电路，其被配置为响应于所述阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号，其中，所述触发信号导致所述锁存器的锁存；至少一个延迟元件，其将锁存延迟了积分时间；以及处理电路，其被配置为基于锁存的锁存器中存储的位置坐标输出在积分时间上探测的光子的探测位置。
[0013]一个优点在于利用采用具有单个(X，y)位置通道的相对简单的读出电路的SPAD阵列提供了高空间分辨率。
[0014]另一个优点在于利用采用了具有单个(x，y)位置通道和该阵列的单个时间输出通道的相对简单的读出电路的SPAD阵列提供了高空间分辨率和高时间分辨率。
[0015]在阅读以下详细描述之后，对于本领域的普通技术人员而言，众多额外的优点和益处将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]本发明可以采取各种部件和部件布置，以及各种过程操作和过程操作的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，不得被解释为对本发明的限制。
[0017]图1示意性示出了单光子雪崩二极管(SPAD)探测器阵列和关联的空间位置读出和时间戮电路的顶视图或平面图。
[0018]图2示意性示出了图1的SPAD阵列的一种公开操作模式的时序方面。
[0019]图3示意性示出了图1的SPAD阵列的另一种公开操作模式的时序方面。
[0020]图4示意性示出了采用参考图1和2所述的SPAD阵列作为探测器的飞行时间(TOF)正电子发射断层摄影(PET)成像系统。
【具体实施方式】
[0021]参考图1，光子探测器10包括探测器阵列12，探测器阵列12包括单光子雪崩二极管(SPAD)探测器14的阵列。每个SPAD探测器14适当地包括反向偏置到其击穿电压以上并与淬熄电路连接的雪崩二极管，淬熄电路例如是在一些实施例中与雪崩二极管电串联放置的无源降压电阻，或基于有源晶体管的淬熄电路(未示出详情)。SPAD探测器在光子计数或盖革模式下运行，其中，单个光子在雪崩二极管上的冲击导致击穿以及后续的电子倍增和大量电流，所述大量电流之后被淬熄电路淬灭。说明性的探测器阵列12包括具有标识为X0-X4的五列和标识为Y0-Y5的六行的矩形阵列。这仅仅是说明性的，所述探测器阵列基本能够具有任意数量的行和列。
[0022]说明性的光子探测器10是在硅衬底16上制造的硅基设备。这样能够在硅衬底16上单片集成探测器阵列12，硅衬底16上具有辅助性硅基部件，例如说明性的硅基列读出锁存器20(其中，在说明性 实施例中将列坐标表示为X)、说明性的硅基行读出锁存器22(其中，在说明性实施例中将行坐标表示为Y)、说明性的硅基位置读出电路24、说明性的硅基复位电路26、说明性的硅基时间数字转换(TDC)电路28以及说明性的硅基时间和位置处理和输出电路30。尽管在说明性实施例中这些部件14、20、22、24、26、28、30是硅基的，应理解，这些硅基部件可以包括非硅和/或硅合金材料，例如各种氧化物、绝缘体或电介质(例如硅氧化物、氮化物或氮氧化物、或不含硅的电介质)、各种硅合金(例如硅锗或硅锗碳合金)、金属或金属合金层等。此外，能够由分离的部件、集成电路(IC)或其各种组合以各种方式实施各种电路。
[0023]说明性的光子探测器10采用了能够针对光子探测事件实现高空间分辨率的读出电路(通常低至探测到光子的个体SPAD探测器14)，并能够针对光子探测事件同时实现高时间分辨率(例如，处于或接近TDC电路28的分辨率的时间分辨率)。为此目的，将探测器阵列12的SPAD探测器14电互连在行和列中，每行锁存器22 (锁存器Y0，……，Y5)与探测器阵列12的对应行的SPAD探测器的逻辑“或”组合相连接，每列锁存器20 (锁存器X0,……，X4)与探测器阵列12的对应列的SPAD探测器的逻辑“或”组合相连接。
[0024]在说明性的图1中，使用逻辑“或”门元件符号示意性指示与锁存器20、22的逻辑“或”连接。然而，应理解，本文使用的术语“逻辑或”涵盖无论何时探测器的逻辑“或”组合的SPAD探测器之一被击穿，都会输出“真”或“开”或“激活”(等)值的任何包括性分离或交替。逻辑“或”组合的【具体实施方式】可以采用或不采用逻辑“或”门元件。例如，可以根据摩根定律通过组合逻辑“非”和逻辑“与非”门元件实施探测器的逻辑“或”组合。在“有线或”实施例中，SPAD探测器物理地连线在一起，以实现逻辑“或”。
[0025]读出电路还包括触发电路34，其在图1中由点线示意性指示。触发电路与探测器阵列12的每个SPAD探测器14连接，且探测器阵列12的任何SPAD探测器14的击穿都会令触发电路34生成触发信号。换言之，触发电路34被配置为响应于探测器阵列12的SPAD探测器14的击穿，生成触发信号。触发信号经由触发电路34传播到TDC电路28和锁存器20、22，在TDC电路28处其触发生成时间戳，在锁存器20、22处其令锁存器20、22锁存。因此，当探测器阵列12的任何SPAD探测器14探测到光子并相应探测到击穿时，其在触发电路34上生成触发信号，并行地，锁存器存储经历击穿的SPAD探测器14的位置。
[0026]继续参考图1，通过说明性举例，在探测器阵列12的行Yl和列X3处的SPAD探测器14处示出了星号(*)。这一击穿令列锁存器22的锁存器Yl和行锁存器20的行锁存器X3存储指示“真”或“开”或“激活”的值。同时，行Yl和列X3处的SPAD探测器14的击穿导致令触发电路34生成触发信号，触发信号既传播到TDC电路28以生成时间戳，又传播到锁存器20、22，以导致锁存器20、22的锁存，从而保存锁存器Yl和X3的“真”或“开”或“激活”值。位置读出电路24因此能够使用适当的(以及任选相对慢的)读出技术(例如查找表或时序计数器)，从锁存器20、22读出这些位置值，所述读出技术将锁存器20、22的位模式转换成二进制数或其他位置表示。
[0027]这种读出方式依赖于在锁存/位置读出操作之前被存储在锁存器20、22中的SPAD探测器14的击穿。根据触发信号传播和锁存器存储操作的相对速度，这一顺序的操作可以自然发生(例如，如果逻辑“或”连接和锁存器20、22显著快于触发电路34而运行)。然而，为了实现高时间分辨率，期望触发电路34运行尽可能地快，以便获得高分辨率的时间戳。
[0028]因此，在说明性实施例中，提供延迟元件40、42以将触发信号到锁存器20、22的传播延迟了一个量，该量有效确保一旦锁存，锁存器20、22存储这样的SPAD探测器14的位置坐标:所述SPAD探测器的击穿令触发电路34生成触发信号。尽管在说明性的图2中示出了两个延迟元件40、42以根据触发电路的物理布局针对各自锁存器20、22提供延迟，然而能够使用最少单个延迟元件(例如，这样的延迟元件:在其后，传输线断开以为行和列锁存器馈电)。
[0029]继续参考图1并进一步参考图2，进一步描述光子探测器10的运行。在事件50中，光子冲击在探测器阵列12的SPAD探测器14上，导致该SPAD探测器14的雪崩击穿。这种击穿导致两种不同的结果。在具有因果关系的结果52中，击穿令触发电路34生成并传播触发信号。在具有因果关系的结果54中，击穿令经历击穿的SPAD探测器14的位置坐标经由逻辑“或”连接传播到各自的列和行锁存器20、22。
[0030]触发信号接着导致三种具有因果关系的事件链。在第一具有因果关系的事件链中，触发信号传播到TDC电路28，在此其令TDC电路28生成时间戳。在说明性的图2中，时间戳操作需要两个子操作:模拟时间测量56和数字化操作58，经由数字化操作58对模拟时间测量进行数字化以生成数字时间戳。模拟时间测量56能够利用任何事件时间测量技术，例如延迟传输线、环形振荡器等。数字化操作58对模拟时间测量进行数字化。通常，模拟时间测量提供精细时间测量，以提供高时间分辨率。在一些实施例中，数字化操作58将这一精细(数字化的)时间测量添加到数字时钟(与传输延迟线、环形振荡器或其他精细模拟时间测量相比，提供粗略的时间测量)的值，以便在数字时钟的扩展时间尺度上生成高分辨率时间戳。
[0031]在由触发信号导致的第二具有因果关系的事件链中，由列(X)锁存器20响应于触发信号锁存列(即X)位置坐标。这一具有因果关系的事件链包括由任选的延迟元件40引入的任选起始延迟60。在图2中所示的时序中，延迟60确保在锁存操作之前完成到锁存器
20、22的位置坐标传播54,所述锁存操作包括列(X)锁存器20的锁存64之前的设置时间62，列(X)锁存器20的锁存64之后是保持时间66。设置时间62和保持时间66由列锁存器20的设计确定，并且是锁存操作之前和后续的时间间隔，在锁存操作期间，锁存器20中存储的值应当是稳定的，以便确保锁存操作64的完整性。
[0032]在由触发信号导致的第三具有因果关系的事件链中，由行(Y)锁存器22响应于触发信号锁存行(即Y)位置坐标。这一具有因果关系的事件链包括由任选的延迟元件42引入的任选起始延迟70。在图2中所示的时序中，延迟70确保在锁存操作之前完成到锁存器
20、22的位置坐标传播54,所述锁存操作包括行(Y)锁存器22的锁存74之前的设置时间72，行(Y)锁存器22的锁存74之后是保持时间76。设置时间72和保持时间76由行锁存器22的设计确定，并且是锁存操作之前和后续的时间间隔，在锁存操作期间，锁存器22中存储的值应当是稳定的，以便确保锁存操作74的完整性。
[0033]图2中所示的锁存操作部分62、64、66、72、74、76仅仅是说明性的，详细的锁存操作可以根据锁存器20、22的设计和特性变化。此外，尽管图2示出了行和列锁存的具有因果关系的事件链在持续时间方面是相同的，但还预见到行和列锁存的具有因果关系的事件链具有或多或少不同的时间特性。
[0034]图2中示出的示意性操作80总体上指示了完成光子探测处理和输出中必需的操作。操作80包括复位和触发电路34 (由图1中示意性示出的复位电路26执行)以及处理并缓冲光子探测事件的时间和位置数据(由图1中示意性示出的时间和位置处理和输出电路30执行)。
[0035]在SPAD探测器击穿之后的特定时间，SPAD探测器的淬熄子电路将使其淬灭并复位。图2中示意性指示了淬灭时间82，这一淬灭时间指示SPAD探测器的雪崩二极管返回到不导电反向偏置状态的时间。在淬灭时间82，SPAD探测器再次准备好探测另一个光子；然而，在淬灭时间82，SPAD探测器也不再击穿。因此，必须要在淬灭时间82之前完成锁存操作62、64、66、72、74、76。另一方面，能够在淬灭时间82之前和/或之后进行时间戳数字化58和完成操作80。换言之，一旦完成模拟时间测量56和锁存62、64、66、72、74、76，就实现了时间和空间分辨率，剩余的数据处理不在SPAD探测器淬灭所施加的紧迫时间约束之下。另一方面，尽可能快地完成数字化58、处理80和淬灭(在淬灭时间82结束)是有利的，因为SPAD探测器不能用于探测另一个光子，直到完成这些操作。
[0036]用于复位触发电路34的时序(包括在完成操作80中)依赖于触发电路34的运行。如果触发电路34响应于SPAD探测器转变到击穿而生成触发信号，那么能够在SPAD探测器淬灭之前复位触发电路34。另一方面，如果触发电路34响应于SPAD探测器击穿而生成触发信号，那么触发电路34不能复位，直到在SPAD探测器淬灭之后(亦即，直到图2中所示的淬灭时间82之后)。
[0037]完成操作80的复位部分还包括为锁存器20、22解锁。这通常能够在处理并缓冲锁存的位置数据之后的任何时间进行。在一些实施例中，锁存器20、22可以自动解锁,例如在完成保持时间66、76之后。在其他实施例中，复位电路26发送信号以对锁存器20、22解锁。完成操作80的复位部分可以任选地还包括复位锁存器20、22中存储的值，例如通过复位电路26向锁存器20、22发送适当的控制信号。或者，如果锁存器20、22是在锁存之前遵循O — I和I — O转变两者的类型，那么一旦处于击穿中的SPAD探测器被淬灭(亦即，在淬灭时间82)，锁存器20、22中存储的值就可以被自动复位，因为在该时间，关联到锁存器的逻辑“或”返回到“假”或“关”或“去活”(等)值，以指示逻辑“或”组合中没有SPAD探测器处于击穿。
[0038]参考图2描述的光子探测器10的运行提供了具有高空间和时间分辨率的单光子计数能力。对于如下的应用其是有效的:在该应用中冲击光子通量足够低，使得相继进入的光子之间的平均时间比参考图2描述的处理时间更长。两个光子一起到达的偶发情况在这种事件的结果是设置两列锁存器或两行锁存器的限度内是可以调节的。因此，这能够通过完成操作80来探测，并能够丢弃或适当调节数据。
[0039]在一些应用中，冲击光子通量可以更高，至少在感兴趣时间间隔内是这样，使得在相继光子探测事件之间的间隔期间不能完成参考图2所述的处理。例如，当光子探测器10结合闪烁体被使用时可能发生这样的状况，所述闪烁体响应于闪烁体探测到的辐射粒子而生成光子(即闪烁事件)的短猝发。另一种应用范例是在低强度但未低至采用图2的方法的光条件下的成像。
[0040]参考图1并进一步参考图3，对于这种更高光子通量的应用，可以采用另一种操作模式，图3中示意性示出了其时序。在图2的操作模式中，任选地包括延迟60、70以确保在执行锁存62、64、66、72、74、76之前在锁存器20、22中存储位置数据。在图3的实施例中，由更长的积分时间延迟60i代替这些延迟60、70，更长的积分时间延迟60i再次由延迟元件
40、42适当实施。换言之，延迟元件40、42引入的延迟时间60i在图3的实施例中更长，以便提供积分时间。在图3的实施例中，由延迟元件40、42两者引入相同的延迟时间60i从而在相同时间60i内对行和列位置数据积分也是有利的。(如前所述，在预见到的一些实施例中，这是通过将用于各自列和行锁存器20、22的延迟元件40、42构造成单个延迟元件来实现的，其中，锁存信号从该单个延迟元件分支出来到达两组锁存器20、22。)
[0041]选择延迟时间60i以提供积分时间，在积分时间内累积针对光子探测事件的位置数据。在图3的实施例中，假设光子的进入通量足够高，使得超过一个光子将在积分时间60?期间冲击到探测器阵列12上。每个光子探测事件将令探测到光子的SPAD探测器14进入击穿并向锁存器20、22中加载其位置数据。在积分时间60i结束之后，如已经参考图2所述地，执行锁存62、64、66、72、74、76，从而锁存针对光子探测事件的位置数据。并行地，如参考图2所述地，进行操作56、58，但仅由第一光子探测事件触发，使得所得的数字时间戳将针对第一光子探测事件。
[0042]为了在积分时间60i内累积针对所有光子探测事件的位置数据，应当保持锁存器20,22中存储的位置数据，直到发生锁存。如果在积分时间60i结束之后发生淬灭时间82，这将会自然发生(如说明性的图3的实施例所示)，因为在那种情况下，处于击穿中的雪崩二极管在锁存时将仍然未被淬灭。另一方面，如果淬灭时间短于积分时间60i，那么锁存器20、22应当是保持“真”或“开”或“激活”(等)值的类型，且一旦SPAD探测器淬灭不会复位。(换言之，锁存器应当遵循O— I过渡，但不应遵循1 — 0过渡)。在这种情况下，一旦雪崩二极管淬灭，锁存器将不会返回到“假”或“关”或“去活”。(注意，这样的锁存器也能够用于图2的实施例中，但无论何时使用这样的锁存器时，完成操作80的复位部分应当包括复位锁存器20、22中存储的值)。[0043]在图3的实施例中，完成电路80处理数据以生成有用的位置信息。在一些实施例中，这需要为每个光子探测事件确定(x，Y)坐标，因此生成这些事件的“图”。在其他实施例中，完成电路80处理数据以生成光子探测事件的一些统计汇总，例如一组光子探测事件的中心测量(例如质心或重心)和/或宽度测量(例如，空间半最大全宽或FWHM，或最大范围)。
[0044]在图3的实施例中，完成电路80可能不能完全消除针对多个光子探测事件的位置数据的不明确性。例如，如果列锁存器Xl和Χ2为“开”，行锁存器Yl和Υ2为开，这能够对应于以下光子探测事件集合的任何一种:[(Χ1，Υ2)和(Χ2，Υ1)]或[(Χ1，Υ1)和(Χ2，Υ2)]，或[(XI，Υ2)，和(Χ2，Υ1)，和(XI，Yl)和 / 或(Χ2，Υ2)中任一个或两个]，或[(XI，Υ1)，和(Χ2，Υ2)，和(XI，Υ2)和/或(Χ2，Yl)的任一个或两个]。能够明确得出的结论是，在这一 2X2SPAD探测器正方形中发生两个到四个的光子事件。可以在完成电路80中通过适当的近似处理来解决这种不明确状况，所述适当的近似处理例如随机选择不明确的2X2SPAD探测器正方形的两个或三个SPAD探测器作为光子探测事件的位置。通常，如果积分时间60?和入射光子通量使得光子探测事件在探测器阵列12上的分布稀疏(表示沿任何单一行或列几乎没有两个或更多光子探测事件(如果有的话)的发生)，则预计图3的方法会是最有效的(在避免上述不明确性的意义上)。
[0045]用于更准确地消除位置数据不明确性的另一种方法是通过以高速向诸如开关电容器或传输门的存储元件(未示出)中锁存这些数据对探测器阵列12的行和列采样，其中，锁存是由触发电路34生成的触发信号启动的。如果采样足够快(与光子探测事件的平均速率相比)，那么线改变其状态的时间被记录，并且记录的时间能够用于将行和列位置相关并确定光子相对于触发信号的到达时间。
[0046]注意，不明确性由于多个光子探测事件在图2的操作模式中也是可能的，并且如果在事件50、52的时间和延迟60、70的结束之间探测到一个或多个额外的光子，不明确性可能发生。然而，这些延迟60、70很短，这降低了探测多个光子的可能性。而且，通常在低入射光子通量应用中采用图2的操作模式。尽管如此，不明确状况(如果在图2的操作模式中其会发生)容易被探测到，因为完成电路`80会探测其对应的锁存器存储“真”或“开”或“激活”(等)值的两行或更多行和/或两列或更多列。在这种情况下，处理和输出电路30适当地被配置以响应于指示两个或更多SPAD探测器处于击穿的(在响应于触发电路34生成的触发信号而锁存之后的)锁存器，输出错误信号。
[0047]公开的光子探测器10提供了高空间和高时间分辨率。在一些实施例中，可能不需要或实际上不能实现高时间分辨率。例如，在根据图3的实施例中，由过程56、58生成的时间戳对应于积分时间60i的开始。时间分辨率于是受到积分时间60i的限制，对于比积分时间60i显著精细的数字时间戳的时间分辨率，这是没有用的。在这样的情况下，可以任选地省去处理56、58，并将TDC电路28简化成简单地记录所采集的光子探测事件数据的(例如)当前时钟周期。在一些这样的实施例中，可以整个省去TDC电路28，并可以通过在向硅芯片或衬底16外部传递数据时向数据分配时间戳，以“在芯片外”执行时间戳标记。
[0048]公开的光子探测器在物理学、天文学、诸如正电子发射断层摄影(PET)或单光子发射断层摄影(SPECT)的辐射成像等中具有多种应用。
[0049]参考图4，正电子发射断层摄影(PET)成像应用被示意性示为说明性范例。在本申请中，PET扫描器90包括被布置成环绕感兴趣区域92的环的多个所公开的光子探测器10。PET探测器环被适当安装在外壳或扫描架94上，并且闪烁体环96被设置于光子探测器10的环内部，使得从设置于感兴趣区域92中的PET成像受检者发射的511keV粒子被闪烁体环96吸收，以生成由邻近光子探测器10探测的光子猝发(即闪烁)。在本申请中，图3的积分操作模式可能是最有用的，但也预见到采用图2的操作模式，结合具有低光子产出(例如，在每次511keV闪烁中仅发射一个或少数光子)的薄闪烁体。
[0050]所得的PET数据被电子处理设备98处理，例如，电子处理设备被实现为适当编程控制的计算机100。光子探测事件(或图3的操作模式中确定的光子探测事件图的中心)与数字时间戳和(从积分时间60i期间探测的光子数量估计的)粒子能量一起形成列表模式数据存储器102中存储的列表模式PET数据。51 IkeV并发探测器104使用适当的时间和能量开窗技术在列表模式数据中识别并发的511keV探测事件。每对并发的511keV探测事件定义一条响应线(L0R)，并且能够使用时间戳作为飞行时间(TOF)数据沿LOR定位源电子-空穴湮灭事件。TOF-PET数据被存储在存储器106中，并由适当的PET成像数据重建处理器108重建以形成重建图像，所述重建图像被适当存储在存储器110中，显示于计算机100的显示器112上，或以其他方式被利用。
[0051 ] 尽管图4图示了 PET应用，但更一般地，可以结合辐射成像系统使用公开的光子探测器，例如结合说明性的PET扫描器90、或伽马照相机的辐射探测器头(其被安装于被配置为绕感兴趣区域旋转辐射探测器头的机器人臂或扫描架上)的光子探测器等。
[0052]已经参考优选实施例描述了本发明。显然，他人在阅读和理解前面的详细描述之后能够做出修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落在权利要求书或其等价要件的范围之内。
【权利要求】
1.一种装置，包括: 光子探测器(10)，其包括: 探测器阵列(12)，其包括单光子雪崩二极管(SPAD)探测器(14)，所述单光子雪崩二极管(SPAD)探测器被配置为响应于光子的冲击而击穿， 触发电路(34)，其被配置为响应于所述探测器阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号，以及 锁存器(20、22)，其被配置为存储所述探测器阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标，所述锁存器被配置为响应于由所述触发电路生成的触发信号而锁存。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括: 至少一个延迟元件(40、42)，其将所述触发信号到所述锁存器(20、22)的传播延迟了延迟时间(60、70)，所述延迟时间有效地确保一旦锁存，所述锁存器存储这样的SPAD探测器(14)的位置坐标:所述SPAD探测器的击穿令所述触发电路(34)生成所述触发信号。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括: 至少一个延迟元件(40、42)，其将所述触发信号到所述锁存器(20、22)的传播延迟了积分时间间隔(60i)，使得所述锁存器在锁存之后为在所述积分时间间隔上击穿的SPAD探测器提供位置坐标。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述锁存器(20、22)包括: 行锁存器(22)，其中，每个行锁存器与所述探测器阵列(12)的对应行的SPAD探测器(14)的逻辑“或”组合相连接；以`及 列锁存器(20)，其中，每个列锁存器与所述探测器阵列(12)的对应列的SPAD探测器的逻辑“或”组合相连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，包括所述探测器阵列(12)、所述触发电路(34)和所述锁存器(20、22)的所述光子探测器(10)单片集成地设置于硅衬底(16)上。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述光子探测器(10)还包括: 时间数字转换器(TDC)电路(28)，其被配置为，为由所述触发电路(34)生成的触发信号生成数字时间戳。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光子探测器(10)还包括: 处理和输出电路(30)，其生成并输出:(I)光子探测位置，所述光子探测位置包括处于击穿中的SPAD探测器(14)的，基于在响应于由所述触发电路(34)生成的触发信号而锁存之后的所述锁存器(20、22)中存储的值的位置坐标；以及(2)由所述TDC电路(28)为令所述锁存器锁存的所述触发信号生成的数字时间戳。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述处理和输出电路(30)还被配置为响应于指示两个或更多SPAD探测器(14)处于击穿的、在锁存之后的所述锁存器输出错误信号。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的装置，还包括: 正电子发射断层摄影(PET )扫描器(90 )，其包括被布置成环绕感兴趣区域(92 )的探测器环的多个所述光子探测器(10)。
10.一种方法，包括: 提供包括单光子雪崩二极管(SPAD)探测器(14)的探测器阵列(12)，所述单光子雪崩二极管(SPAD)探测器被配置为响应于光子的冲击而在一位置击穿；提供锁存器(20、22)，所述锁存器被配置为存储所述探测器阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标； 响应于所述探测器阵列的SPAD探测器的击穿(50)生成(52)触发信号；并且 响应于所述触发信号锁存(62、64、66、72、74、76)所述锁存器。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括: 将所述触发信号到所述锁存器(20、22)的传播延迟了延迟间隔(60、70)，所述延迟间隔有效地确保所述锁存器存储这样的SPAD探测器(14)的位置坐标:所述SPAD探测器的击穿在所述锁存(62、64、66、72、74、76)之前导致所述触发信号的生成。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的方法，还包括: 在所述锁存(62、64、66、72、74、76)之后，读取(30)所述锁存器(20、22)以确定这样的SPAD探测器(14)的位置:所述SPAD探测器的击穿导致所述触发信号的生成(52)。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括: 将所述触发信号到所述锁存器的传播延迟了积分时间(60i);并且在所述锁存(62、64、66、72、74、76)之后，读取(30)所述锁存器(20、22)以生成所述探测器阵列(12)中在积分间隔(60i)上击穿的SPAD探测器(14)的图像。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，还包括: 执行(56、58)由所述触发信号触发的时间到数字转换以为这样的SPAD探测器(14)的击穿生成时间 戳:所述SPAD探测器的击穿导致所述触发信号的生成(52)。
15.一种装置,包括: 光子探测器(10)，其包括: 单光子雪崩二极管(SPAD)探测器(14)的阵列(12)， 锁存器(20、22)，其被配置为存储所述阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标， 触发电路(34)，其被配置为响应于所述阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号，其中，所述触发信号导致所述锁存器的锁存，以及 处理电路(30)，其被配置为基于锁存的锁存器中存储的位置坐标输出光子探测位置。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述光子探测器(10)还包括: 时间数字转换器(TDC)电路(28)，其被配置为，为由所述触发电路(34)生成的触发信号生成数字时间戳； 其中，所述处理电路(30)还被配置为基于导致所述锁存器(20、22)锁存的所述触发信号的所述数字时间戳输出光子探测时间。
17.根据权利要求15-16中任一项所述的装置，其中，所述光子探测器(10)还包括: 至少一个延迟元件(40、42)，其被布置为将所述锁存器(20、22)的锁存延迟了延迟时间(60、70)，所述延迟时间有效地确保锁存的锁存器存储这样的SPAD探测器(14)的位置坐标:所述SPAD探测器的击穿令所述触发电路(34)生成所述触发信号。
18.一种装置，包括: 光子探测器(10)，其包括: 单光子雪崩二极管(SPAD)探测器(14)的阵列(12)， 锁存器(20、22)，其被配置为存储所述阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标， 触发电路(34)，其被配置为响应于所述阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号，其中，所述触发信号导致所述锁存器的锁存， 至少一个延迟元件(40、42)，其将锁存延迟了积分时间(60i )，以及 处理电路(30)，其被配置为基于锁存的锁存器中存储的位置坐标输出在所述积分时间上探测的光子的探测位置。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括: 闪烁体(96)，其由所述光子探测器(10)观察以探测由所述闪烁体响应于被所述闪烁体吸收的辐射粒子而发射的闪烁光子； 其中，所述处理电路(30)被配置为计算辐射粒子探测的位置以作为由所述光子探测器在所述积分时间(60i)上探测的光子的输出探测位置的中心。
20.根据权利要求19所述的装置，还包括: 辐射成像系统(90)，其包括所述闪烁体(96)和所述光子探测器(10)的，所述光子探测器被配置为以下之一:(I)环绕感兴趣区域(92)的辐射探测器环以及(2)辐射探测器头，所述辐射探测器头被安装在被配置为将所述辐射探测器头绕感兴趣区域旋转的机器人臂或扫描架上。
【文档编号】G01T1/24GK103733609SQ201280038184
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2011年8月3日
【发明者】T·弗拉奇 申请人:皇家飞利浦有限公司