SiPM阵列的信号读出方法、装置及SiPM阵列模块与流程

本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及一种sipm阵列的信号读出方法、装置及sipm阵列模块。

背景技术：

sipm是硅光电倍增器，主要用于探测微弱的光信号，将探测到的光脉冲转换为电流脉冲，然后由读出电路接收这些电流脉冲，由相应的处理器对这些电流脉冲进行处理，得到被探测的光信号所包含的信息。

sipm阵列是探测微弱光信号位置信息的一种探测器，在二维平面上将多个sipm单元作为感光元件，配以相应的读出电路以得到被探测光的信息。一般地，每个sipm单元单独输出一路信号，需要一路读出通道。然而，随着探测面积的增大和每个探测单元的缩小，一个阵列中sipm单元数量越来越多，通道数量庞大的读出电子学在具体工程应用中难以实现。

目前，sipm阵列的读出方法主要有单独通道读出、电阻网络读出和行列读出。单独通道读出即为阵列中的每个sipm单元配置一路读出通道，哪一路有信号就说明哪个位置的sipm单元探测到光信号，该方法无法实现读出通道的压缩，在读出通道数目增多的情形下不适用。电阻网络读出是将阵列中不同位置的sipm单元所探测到的电流信号接入到电阻网络的不同电流出口，依据电流出口上电流信号量进行反演推算得到信号的位置信息，该方法可以实现通道压缩但需要依据实际阵列大小选择不同的电阻元件，实现复杂且难以集成。行列读出法是分别在行方向或列方向上，分别使用电阻或电容进行电流分流或者电压分压，可以进行通道压缩，但该方法依赖电阻或电容元器件实现，行数或列数改变后需要重新设计硬件，且难以集成。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种sipm阵列的信号读出方法、装置及sipm阵列模块，旨在解决由于现有技术无法提供一种有效的sipm阵列的信号读出方法，导致sipm阵列在进行读出通道压缩时实现复杂且难以集成的问题。

一方面，本发明提供了一种sipm阵列的信号读出方法，所述方法包括下述步骤：

当sipm阵列上的sipm单元采集到光信号时，通过所述sipm单元将所述光信号转换为电流信号；

通过与所有所述sipm单元连接的导电介质层，将所述电流信号分配给设于所述导电介质层上的读出电极；

通过所述读出电极输出所述电流信号；

根据每个所述读出电极的电流输出，确定所述sipm单元在所述sipm阵列上的位置信息。

另一方面，本发明提供了一种sipm阵列的信号读出装置，所述装置包括：

信号采集转换单元，用于当sipm阵列上的sipm单元采集到光信号时，通过所述sipm单元将所述光信号转换为电流信号；

信号分配单元，用于通过与所有所述sipm单元连接的导电介质层，将所述电流信号分配给设于所述导电介质层上的读出电极；

信号输出单元，用于通过所述读出电极输出所述电流信号；以及

位置确定单元，用于并根据每个所述读出电极的电流输出，确定所述sipm单元在所述sipm阵列上的位置信息。

另一方面，本发明还提供了一种sipm阵列模块，包括：

衬底，所述衬底为绝缘材料；

位于所述衬底上、且形成sipm阵列的sipm单元，用于采集光信号并将所述光信号转换为电流信号；

与所有所述sipm单元连接的导电介质层，用于将由所述sipm单元转换得到的电流信号分配给位于所述导电介质层上的读出电极；以及

所述读出电极，用于收集分配到的电流信号并输出。

本发明中sipm阵列上的sipm单元采集光信号，并将光信号转换为电流信号，通过与所有sipm单元连接的导电介质层，将电流信号分配给位于导电介质层上的读出电极，通过这些读出电极输出电流信号，并根据读出电极输出的电流信号，确定sipm单元在sipm阵列上的位置信息，从而通过导电介质层和读出电极实现sipm阵列读出通道的压缩，且导电介质层上不采用分立的电阻电容等元器件，sipm阵列大小的变化不需要进行元器件的重新设计，便于sipm阵列的扩展和集成。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种sipm阵列的信号读出方法的实现流程图；

图2是本发明实施例一提供的一种sipm阵列的信号读出方法中读出电极在导电介质层上的分布示例图；

图3是本发明实施例二提供的一种sipm阵列的信号读出装置的结构示意图；以及

图4是本发明实施例三提供的sipm阵列模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的一种sipm阵列的信号读出方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

在步骤s101中，当sipm阵列上的sipm单元采集到光信号时，通过sipm单元将光信号转换为电流信号。

本发明实施例适用于sipm阵列。sipm阵列包括n*m个的sipm单元，n和m的数值由技术人员根据实际情况决定，在此并不进行限定。在实际应用中，sipm阵列中每个sipm单元都用于探测光信号并将探测到的光信号转换为电流信号，由读出通道将这些电流信号读出，并确定采集到该光信号的sipm单元在sipm阵列中的位置。在本发明实施例中，sipm单元将光信号转换为电流信号可采用现有方式进行转换，在此不作限定。

在步骤s102中，通过与所有sipm单元连接的导电介质层，将电流信号分配给设于导电介质层上的读出电极。

在本发明实施例中，在sipm单元采集到光信号并将光信号转换为相应的电流信号后，将电流信号发送给与所有sipm单元连接的导电介质层，电流信号在该导电介质层上进行分散，由位于导电介质层上的读出电极对导电介质层上分散开来的电流进行收集。

优选地，导电介质层覆盖在sipm阵列的衬底上，从而可以通过导电介质层覆盖的方式，避免sipm阵列大小发生变化时需要对分立的元器件进行重新设计，只需调整导电介质层在衬底上的覆盖区域即可适应不同大小的sipm阵列。例如，4*4的sipm阵列变为8*8的sipm阵列，只需要调整导电介质层大小，不涉及剩余设计参数的重新设计，使得sipm阵列容易扩展，且容易大量加工。

其中，导电介质层可以位于衬底与sipm单元之间，也可以是衬底位于导电介质层和sipm单元之间，当衬底位于导电介质层和sipm单元之间时，可通过在衬底上进行穿孔，实现每个sipm单元与导电介质层的连接。

优选地，sipm单元将转换得到的电流信号，通过导电介质层上的电流注入电极，注入导电介质层，其中，sipm单元与电流注入电极一一对应，从而使得sipm单元在sipm阵列上的位置映射为电流注入电极在导电介质层上的位置，通过确定电流信号在导电介质层上的注入位置，能够确定sipm单元在sipm阵列上的位置信息。

在步骤s103中，通过读出电极输出电流信号。

在本发明实施例中，导电介质层上的读出电极收集到电流信号后，将收集到的电流信号输出，以便与sipm阵列连接的处理器对电流信号进行分析，分析得到电流信号所包含的信息、以及当前采集到光信号的sipm单元在sipm阵列上的位置，从而通过在衬底上铺设导电介质层，在导电介质层上设置读出电极，电流信号在导电介质层上分散到各个读出电极，而无需为每个sipm单元设置单独的读出通道，提高了读出通道压缩的效果。

优选地，读出电极设置在导电介质层的边缘角落，例如当导电介质层为四边形时，可在四边形的四个角处分别设置读出电极，以便不同读出电极收集往不同方向分散的电流信号。

在步骤s104中，根据每个读出电极的电流输出，确定sipm单元在sipm阵列上的位置信息。

在本发明实施例中，在每个读出电极输出收集到的电流信号时，记录每个读出电极输出电流信号的电流大小，根据每个读出电极输出电流信号的电流大小，计算当前采集到光信号的sipm单元在sipm阵列上的二维位置。在读出电极位置已知、且读出电极的数量不少于3个时，可以根据读出电极的位置、读出电极输出电流信号的电流大小和电荷分配原理，来确定sipm单元在sipm阵列上的二维位置。

优选地，如图2所示，当读出电极为4个、且分别位于导电介质层的四个角落a、b、c、d时，以其中一个读出电极为坐标原点，例如以读出电极c为坐标原点，通过下列公式计算注入该电流信号的电流注入点在导电介质层的位置信息：

x＝(ia+ib)/(ia+ib+ic+id)，y＝(ia+id)/(ia+ib+ic+id)，其中，ia、ib、ic、id分别是读出电极a、读出电极b、读出电极c和读出电极d输出电流信号的电流大小，(x、y)为当前采集光信号的sipm单元在sipm阵列上的二维坐标。

优选地，读出电极的数量为4个，虽然3个读出电极就可以实现二维平面上的位置定位，但利用3个读出电极进行定位的复杂度较高，通过4个读出电极进行定位，能够降低定位的计算复杂度。

优选地，导电介质层为特定电阻率的导电材料，一般可以为半导体材料，例如锗膜，避免导电介质层的面电阻率太小导致无法通过读出电极输出的电流信号来对sipm单元进行定位，也避免导电介质层的面电阻率太大导致电流信号无法在导电介质层扩散。其中，面电阻率由导电介质层的材料、薄膜厚度、加工工艺等因素决定，导电介质层的空间结构简单，是一层比较薄的膜，可直接在sipm阵列的衬底上覆膜。导电介质层面电阻率的优选范围为1kω/m²～1mω/m²。

优选地，衬底为绝缘材料，避免衬底影响到电流信号在导电介质层的扩散。

在本发明实施例中，通过导电介质层将sipm单元转换得到的电流信号进行扩散，由位于导电介质层上不同位置处的读出电极收集扩散后的电流信号，通过读出电极输出收集到的电流信号，并依据读出电极输出的电流信号对sipm单元进行定位，从而有效地对sipm阵列的输出通道进行压缩，在导电介质层上无分立的电阻电容等元器件，当sipm阵列大小变化时无需重新设计介质层上的元器件，且导电介质层容易加工，易于sipm阵列的扩展和集成。

实施例二：

图3示出了本发明实施例二提供的一种sipm阵列的信号读出装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：

信号采集转换单元31，用于当sipm阵列上的sipm单元采集到光信号时，通过sipm单元将光信号转换为电流信号。

信号分配单元32，用于通过与所有sipm单元连接的导电介质层，将电流信号分配给设于导电介质层上的读出电极。

在本发明实施例中，在sipm单元采集到光信号并将光信号转换为相应的电流信号后，将电流信号发送给与所有sipm单元连接的导电介质层，电流信号在该导电介质层上进行分散，由位于导电介质层上的读出电极对导电介质层上分散开来的电流进行收集。

优选地，导电介质层覆盖在sipm阵列的衬底上，从而可以通过导电介质层覆盖的方式，避免sipm阵列大小发生变化时需要对分立的元器件进行重新设计，只需调整导电介质层在衬底上的覆盖区域即可适应不同大小的sipm阵列，不涉及剩余设计参数的重新设计，使得sipm阵列容易扩展，且容易大量加工。

其中，导电介质层可以位于衬底与sipm单元之间，也可以是衬底位于导电介质层和sipm单元之间，当衬底位于导电介质层和sipm单元之间时，可通过在衬底上进行穿孔，实现每个sipm单元与导电介质层的连接。

优选地，sipm单元将转换得到的电流信号，通过导电介质层上的电流注入电极，注入导电介质层，其中，sipm单元与电流注入电极一一对应，从而使得sipm单元在sipm阵列上的位置映射为电流注入电极在导电介质层上的位置，通过确定电流信号在导电介质层上的注入位置，能够确定sipm单元在sipm阵列上的位置信息。

信号输出单元33，用于通过读出电极输出电流信号。

在本发明实施例中，导电介质层上的读出电极收集到电流信号后，将收集到的电流信号输出，以便与sipm阵列连接的处理器对电流信号进行分析，分析得到电流信号所包含的信息、以及当前采集到光信号的sipm单元在sipm阵列上的位置，从而通过在衬底上铺设导电介质层，在导电介质层上设置读出电极，电流信号在导电介质层上分散到各个读出电极，而无需为每个sipm单元设置单独的读出通道，提高了读出通道压缩的效果。

优选地，读出电极设置在导电介质层的边缘角落，例如当导电介质层为四边形时，可在四边形的四个角处分别设置读出电极，以便不同读出电极收集往不同方向分散的电流信号。

位置确定单元34，用于并根据每个读出电极的电流输出，确定sipm单元在sipm阵列上的位置信息。

在本发明实施例中，在每个读出电极输出收集到的电流信号时，记录每个读出电极输出电流信号的电流大小，根据每个读出电极输出电流信号的电流大小，计算当前采集到光信号的sipm单元在sipm阵列上的二维位置。在读出电极位置已知、且读出电极的数量不少于3个时，可以根据读出电极的位置、读出电极输出电流信号的电流大小和电荷分配原理，来确定sipm单元在sipm阵列上的二维位置。

优选地，读出电极的数量为4个，虽然3个读出电极就可以实现二维平面上的位置定位，但利用3个读出电极进行定位的复杂度较高，通过4个读出电极进行定位，能够降低定位的计算复杂度。

优选地，导电介质层为特定电阻率的导电材料，一般可以为半导体材料，例如锗膜，避免导电介质层的面电阻率太小导致无法通过读出电极输出的电流信号来对sipm单元进行定位，也避免导电介质层的面电阻率太大导致电流信号无法在导电介质层扩散。其中，面电阻率由导电介质层的材料、薄膜厚度、加工工艺等因素决定，导电介质层的空间结构简单，是一层比较薄的膜，可直接在sipm阵列的衬底上覆膜。导电介质层面电阻率的优选范围为1kω/m²～1mω/m²。

优选地，衬底为绝缘材料，避免衬底影响到电流信号在导电介质层的扩散。在本发明实施例中，通过导电介质层将sipm单元转换得到的电流信号进行扩散，由位于导电介质层上不同位置处的读出电极收集扩散后的电流信号，通过读出电极输出收集到的电流信号，并依据读出电极输出的电流信号对sipm单元进行定位，从而有效地对sipm阵列的输出通道进行压缩，在导电介质层上无分立的电阻电容等元器件，当sipm阵列大小变化时无需重新设计介质层上的元器件，且导电介质层容易加工，易于sipm阵列的扩展和集成。

在本发明实施例中，一种sipm阵列的信号读出装置的各单元可由相应的硬件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明。

实施例三：

图4示出了本发明实施例三提供的一种sipm阵列模块的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：

衬底41，衬底41为绝缘材料；

位于衬底41上、且形成sipm阵列42的sipm单元43，用于采集光信号并将光信号转换为电流信号；

与所有sipm单元43连接的导电介质层44，用于将由sipm单元43转换得到的电流信号分配给位于导电介质层44上的读出电极45；以及

读出电极45，用于收集分配到的电流信号并输出。

在本发明实施例中，n*m个sipm单元43形成sipm阵列42，n和m的数值由技术人员根据实际情况决定，在此不进行限定。在sipm单元43采集到光信号并将采集的光信号转换为电流信号后，将电流信号通过与导电介质层44进行扩散，由位于导电介质层44上不同位置处的读出电极45收集分散到相应位置处的电流信号，并由读出电极45输出收集到的电流信号，再由与sipm阵列42连接的处理器对电流信号进行分析、并确定当前采集到光信号的sipm单元在sipm阵列42上的位置信息。

优选地，导电介质层44覆盖在sipm阵列42的衬底41上，从而可以通过导电介质层44覆盖的方式，避免sipm阵列42大小发生变化时需要对分立的元器件进行重新设计，只需调整导电介质层44在衬底41上的覆盖区域即可适应不同大小的sipm阵列42，不涉及剩余设计参数的重新设计，使得sipm阵列42容易扩展，且容易大量加工。

其中，导电介质层44可以位于衬底41与sipm单元43之间，也可以是衬底41位于导电介质层44和sipm单元43之间，当衬底41位于导电介质层44和sipm单元43之间时，可通过在衬底41上进行穿孔，实现每个sipm单元43与导电介质层44的连接。

优选地，导电介质层44为指定电阻率的导电材料，一般可以为半导体材料，例如锗膜，避免导电介质层44的面电阻率太小导致无法通过读出电极45输出的电流信号来对sipm单元43进行定位，也避免导电介质层44的面电阻率太大导致电流信号无法在导电介质层44扩散。其中，面电阻率由导电介质层44的材料、薄膜厚度、加工工艺等因素决定，导电介质层44的空间结构简单，是一层比较薄的膜，可直接在sipm阵列42的衬底41上覆膜。导电介质层44面电阻率的优选范围为1kω/m²～1mω/m²。

优选地，sipm单元43的输出端与导电介质层44通过对应的电流注入电极46进行连接，sipm单元43转换得到的电流信号通过电流注入电极46注入导电介质层44，其中，sipm单元43与电流注入电极46一一对应，从而使得sipm单元43在sipm阵列42上的位置映射为电流注入电极46在导电介质层44上的位置，通过确定电流信号在导电介质层44上的注入位置，能够确定sipm单元43在sipm阵列42上的位置信息。

优选地，读出电极45位于导电介质层44的边缘，以便不同读出电极45收集往不同方向分散的电流信号。

在本发明实施例中，在读出电极45位置已知、且读出电极45的数量不少于3个时，处理器可以根据读出电极45的位置、读出电极45输出电流信号的电流大小和电荷分配原理，来确定sipm单元43在sipm阵列42上的二维位置。优选地，读出电极45的数量为4个，虽然3个读出电极45就可以实现二维平面上的位置定位，但利用3个读出电极45进行定位的复杂度较高，通过4个读出电极45进行定位，能够降低定位的计算复杂度。

在本发明实施例中，为了能够清楚表示sipm阵列模块的结构，在图4中将sipm阵列模块分成两部分展示，一部分为sipm单元43形成的sipm阵列42，另一部分包括衬底41、导电介质层44、读出电极45和电流注入电极46，在实际结构中，这两部分是连接在一起的。另外，图4中读出电极45的位置和数量并不作为本发明实施例对读出电极45位置和数量的限制。

在本发明实施例中，sipm阵列模块包括衬底、形成sipm阵列的sipm单元、导电介质层和读出电极，导电介质层将sipm单元转换得到的电流信号进行扩散，由位于导电介质层上不同位置处的读出电极收集扩散后的电流信号，通过读出电极输出收集到的电流信号，从而有效地对sipm阵列的输出通道进行压缩，在导电介质层上无分立的电阻电容等元器件，当sipm阵列大小变化时无需重新设计介质层上的元器件，且导电介质层容易加工，易于sipm阵列的扩展和集成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。