用于时间相关的单光子计数的光电探测器架构的制作方法

用于时间相关的单光子计数的光电探测器架构
1.相关申请
2.本技术要求享有于2019年7月29日提交的美国临时专利申请第62/880,025号和于2019年5月6日提交的美国临时专利申请第62/844,107号的优先权。这些申请以其相应的整体通过引用并入本文。


背景技术：

3.检测大脑中的神经活动对于医疗诊断、成像、神经工程、脑
‑
机接口和各种其他诊断和消费者相关应用是有用的。例如，可以期望检测患者的大脑中的神经活动，以确定大脑的特定区域是否已经受到降低的血液灌流、出血或者其他任何其他类型的损伤的影响。作为另一示例，可以期望检测用户的大脑中的神经活动，并且将检测到的神经活动计算地解码为可以用于(例如，通过控制计算机屏幕上的光标、改变电视机上的频道、打开灯等)控制各种类型的消费者电子设备的命令。
4.大脑的神经活动和其他属性可以通过测量大脑内的组织对光脉冲的响应来确定或者推断。测量这种响应的一种技术是时间相关的单光子计数(tcspc)。时间相关的单光子计数检测单个光子并测量光子相对于参考信号(例如，光源)的到达时间。通过重复光脉冲，tcspc可以累积足够数量的光子事件，以在统计上确定表示检测到的光子的分布的直方图。基于光子分布的直方图，可以确定组织对光脉冲的响应，以确定大脑的神经活动和其他属性。
5.能够检测单个光子的光电探测器是可以用于检测大脑内的神经活动的非侵入式探测器的示例。光电探测器可以用于检测单个光子以执行tcspc。然而，重复地检测单个光子可能是困难的，因为常规的光电探测器通常具有可能减慢检测速率的死区时间(dead time)。此外，使用多个光电探测器可能增加操作这样的系统所需要的资源。
附图说明
6.附图示出了各种实施例并且作为说明书的一部分。所示实施例仅作为示例并且不限制本公开的范围。贯穿附图，相同或相似的附图标记指代相同或相似的元素。
7.图1示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的光电探测器系统的示例性配置。
8.图2示出了根据本文描述的原理的用于使用光电探测器架构的tcspc的示例性时序图。
9.图3
‑
4示出了根据本文描述的原理的用于使用光电探测器架构的tcspc的示例性直方图。
10.图5示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的光电探测器系统的示例性光电探测器阵列。
11.图6示出了根据本文描述的原理的用于使用光电探测器架构的tcspc的示例性输出图。
12.图7示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的光电探测器系统的示例性采样电
路。
13.图8示出了根据本文描述的原理的用于使用光电探测器架构的tcspc的示例性采样时序图。
14.图9示出了根据本文描述的原理的用于使用光电探测器架构的tcspc的示例性采样图。
15.图10示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的光电探测器系统的示例性光电探测器阵列。
16.图11示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的光电探测器系统的示例性输出图。
17.图12示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的光电探测器系统的示例性碰撞检测电路。
18.图13示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的光电探测器系统的示例性光电探测器。
19.图14a示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的示例性光电探测器系统。
20.图14b示出了根据本文描述的原理的用于tcspc的包括光电探测器系统的示例性可穿戴设备。
21.图15示出了根据本文描述的原理的示例性方法。
22.图16示出了根据本文描述的原理的示例性计算设备。
具体实施方式
23.本文描述了用于时间相关的单光子计数(tcspc)的光电探测器系统。本文描述的光电探测器系统均包括并联连接的多个光电探测器以及通信地耦合到多个光电探测器的处理器。处理器被配置为从多个光电探测器接收累积输出。累积输出表示在预定的测量时间段期间，来自检测光子的多个光电探测器中的每一个的相应的输出的累积，该预定的测量时间段是响应于光脉冲指向主体内的目标而发生的。处理器还被配置为基于累积输出来确定由多个光电探测器检测到的光子的时间分布，并且基于光子的时间分布来生成表示主体内的目标的光脉冲响应的直方图。
24.本文描述的光电探测器系统可以用于通过在预定的测量时间段期间放弃对光电探测器进行重置的同时累积来自多个光电探测器的相应的输出来执行tcspc。例如，一旦光电探测器检测到光子，就可以在预定的测量时间段期间保持(例如，不重置)光电探测器的输出。通过保持光电探测器的输出，可以累积相应的输出，并且可以使用每光电探测器最小数量的模数转换器(adc)或时间到数字转换器(tdc)来对检测到的光子进行计数。另外地，在一些实现方式中，具有相对慢的采样速率的adc可以用于对累积信号进行采样以对光子进行计数。这样的架构可以允许光电探测器系统在执行tcspc的同时节约资源(例如，功耗、系统面积等)和/或与常规的光电探测器系统相比进行更高效的光子检测。通过下面的详细描述，可以由本文描述的系统和方法提供的这些和其他益处和/或优点将变得显而易见。
25.图1示出了示例性配置100，其中光电探测器系统102被配置为执行tcspc。如所示的，光电探测器系统102包括由多个单独的光电探测器(例如，光电探测器106)构成的光电探测器阵列104以及耦合到光电探测器阵列104的处理器108。配置100中包括的其他组件
(例如，光源110、控制器单元112以及光纤114和116)未被示出为包括在图1中的光电探测器系统102中。然而，在某些实施例中，这些组件中的一个或多个可以被认为是光电探测器系统102的一部分。
26.光电探测器106可以均由任何适合的电路实现，这些电路被配置为检测入射到光电探测器106上的光的单独光子。例如，每个光电探测器106可以由单光子雪崩二极管(spad)电路来实现。每个光电探测器106可以包括控制电路，该控制电路可以包括抑制(quench)电路、重置电路和/或快速选通电路。
27.处理器108可以由一个或多个物理处理(例如，计算)设备来实现。在一些示例中，处理器108可以执行被配置为实现本文描述的操作中的一个或多个的软件。
28.光源110可以由任何适合的组件实现，这些组件被配置为以预定的中心波长生成并发射高相干性光(例如，具有至少5分米的相干性长度的光)。例如，光源110可以由高相干性激光二极管来实现。
29.光源110由控制器单元112控制，该控制器单元112可以由任何适合的计算设备(例如，处理器108)、集成电路和/或可以服务于特定实现方式的硬件和/或软件的组合来实现。在一些示例中，控制器单元112被配置为通过打开和关闭光源110或者设置由光源110生成的光的强度来控制光源110。控制器单元112可以由用户手动操作，或者可以被编程为自动控制光源110。
30.由光源110发射的光经由光纤114(例如，单模光纤或多模光纤)行进到对象的主体118。在一些实现方式中，主体118是人类或其他动物的头部或任何其他主体部分。可替代地，主体118可以是非活性对象。出于说明的目的，将在本文提供的示例中假设主体118是人类头部。
31.如由箭头120所指示的，由光源110发射的光在主体118上的第一位置122处进入主体118。为此，光纤114的远端可以被定位在(例如，位于其正上方或者物理附接到)第一位置122处(例如，到对象的头皮)。在一些示例中，光可以从光纤114发出并且在主体118上扩散为某个光点大小以落入预定的安全限制之下。
32.如所示的，光纤116(例如，多模光纤)的近端被定位在(例如，在其正上方或者物理附接到)输出位置126处。以这种方式，光纤116可以在其在位置126处离开主体124时收集光，并且将光携带到光电探测器阵列104。光可以穿过一个或多个透镜和/或将光定向到光电探测器阵列104中包括的光电探测器106中的每一个的其他光学元件(未示出)。
33.光电探测器106可以在光电探测器阵列104中并联连接。光电探测器106中的每一个的输出可以被累积以生成光电探测器阵列104的累积输出。处理器108可以接收累积输出，并且基于累积输出来确定由光电探测器106检测到的光子的时间分布。然后，处理器108可以基于时间分布来生成表示主体118中的目标的光脉冲响应的直方图。本文描述了累积输出的示例实施例。
34.图2示出了用于使用光电探测器系统(例如，光电探测器系统102)来执行tcspc的示例性时序图200。光电探测器系统102可以被配置为通过将光脉冲(例如，激光脉冲)指向主体(例如，主体118)内的目标来执行tcspc。光脉冲可以是短的(例如，10
‑
2000皮秒(ps))并且以高频率(例如，在100,000赫兹(hz)到100兆赫兹(mhz)之间)重复。光脉冲可以从目标反射，并且由光电探测器系统102检测。光电探测器系统102可以针对每个检测到的光子测
量相对于光脉冲的时间。通过对相对于在多个光脉冲上重复的每个光脉冲在每个时间检测到的光子的数量进行计数，光电探测器系统102可以生成表示目标的光脉冲响应的直方图。
35.例如，时序图200示出了可以施加到目标(例如，用户的大脑内的组织、在用户的主体中用作探针的荧光物质等等)的光脉冲202(例如，光脉冲202
‑
1和202
‑
2)的序列。时序图200还示出了表示预定的测量时间段的脉冲波204，在该预定的测量时间段期间，光电探测器被配置为检测光子。参考光脉冲202
‑
1，在时间t0处施加光脉冲202
‑
1。在时间t1处，预定的测量时间段的第一实例开始。可以在时间t1处配备光电探测器，从而使得光电探测器能够在预定的测量时间段期间检测从目标反射的光子。在该示例中，时间t1被设置为在时间t0之后的某一时间，这可以使在激光脉冲到达目标之前直接从激光脉冲检测到的光子最小化。然而，在一些替代示例中，时间t1被设置为等于时间t0。
36.在时间t2处，预定的测量时间段结束。在一些示例中，光电探测器可以在t2时间处解除配备。在其他示例中，光电探测器可以在时间t2处或者在时间t2之后的时间处被重置(例如，解除配备或重新配备)。在预定的测量时间段期间，光电探测器可以检测从目标反射的光子。光电探测器可以被配置为在预定的测量时间段期间维持配备，使得光电探测器在预定的测量时间段期间检测到光子时维持输出。例如，光电探测器可以在时间t3处检测到光子，时间t3位于时间t1和t2之间的预定的测量时间段期间。光电探测器可以被配置为提供指示光电探测器已经检测到光子的输出。光电探测器可以被配置为继续提供输出，直到光电探测器可以被解除配备和/或重置的时间t2为止。通过保持光电探测器的输出，光电探测器系统102可以生成来自多个光电探测器的累积输出。光电探测器系统102可以对累积输出进行采样以确定光子由多个光电探测器检测到的时间以生成直方图。
37.图3示出了可以由执行tcspc的光电探测器系统(例如，光电探测器系统102)生成的示例性直方图300。具体地，直方图300是示出在多个激光脉冲(例如，50,000到2,000,000个)上检测到的光子的累积分布的累积分布函数(cdf)。直方图300在y轴302上示出了光子的数量，并且在x轴304上示出了时间间隙(time bin)。分布曲线306绘制了在多个激光脉冲上由对应的时间间隙检测到的光子的累积数量。时间间隙可以与纳秒、皮秒或任何预定的测量时间段相对应，并被归一化为任何适合的期望步长计数编号。在该示例直方图300中，分布曲线306示出了从时间0到大约时间2.5检测到的光子的数量不显著。分布曲线306还示出了实质上从目标检测到的所有光子是在大约时间2.5到时间4之间检测到的，其中分布曲线306上的每个点示出了在多个光脉冲上到该时间点计数的光子的数量。
38.图4示出了可以由执行tcspc的光电探测器系统(例如，光电探测器系统102)生成的另一示例性直方图400。具体地，直方图400是表示主体(例如，主体118)中的目标的光脉冲响应的时间点扩散函数(tpsf)。直方图400在y轴402上示出了光子的经归一化的数量，并且在x轴404上示出了时间间隙。直方图400包括第一tpsf曲线406(在直方图400中以实线示出)、第二tpsf曲线408(在直方图400上以虚线示出)和第三tpsf曲线410(在直方图400上以点线示出)。在该示例中，第一tpsf曲线406示出了根据在多个激光脉冲上由光电探测器系统102检测到的光子计数确定出的时间点扩散函数。对于每个时间间隙，第一tpsf曲线406示出了在该时间间隙中检测到的光子的经归一化的数量。第二tpsf曲线408示出了基于直方图300确定出的时间点扩散函数，取由分布曲线306表示的累积分布函数的导数。由于在每个时间间隙中检测到的光子的数量可以被聚集(即，积分)以生成累积分布函数，相反，时
间点扩散函数可以通过对cdf求导来确定。第三tpsf曲线410示出了理想的时间点扩散函数。如所示的，第一tpsf曲线406和第二tpsf曲线408两者实质上紧密地跟踪由第三tpsf曲线410示出的理想的tpsf曲线。与tpsf曲线中的每一个的接近程度可以表示由光电探测器系统102使用tcspc确定tpsf曲线的两种方法的效力。
39.图5示出了可以作为用于tcspc的光电探测器系统的示例性模拟实现方式的一部分的光电探测器阵列502(例如，光电探测器阵列104的实现方式)的示例性配置500。光电探测器阵列502包括并联连接的多个光电探测器504(光电探测器504
‑
1至504
‑
n)。在配置500中，光电探测器504均包括spad 506和spad电路508。例如，光电探测器504
‑
1包括spad 506
‑
1和spad电路508
‑
1。
40.spad 506
‑
1可以由被配置为检测单个光子的任何适合的单光子雪崩二极管来实现。spad电路508
‑
1可以包括以任何适合的方式实现的抑制电路、重置电路和快速选通电路。示例spad和spad电路包括在美国专利第10,158,038号中描述的那些，该美国专利以其整体通过引用并入本文。
41.如上面所描述的，spad 506
‑
1被配置为检测从主体中的目标反射的光子。spad电路508
‑
1被配置为当spad 506
‑
1检测到光子时输出预定量的电流。预定量的电流在预定的测量时间段的整个持续时间内输出。spad电路508
‑
1、508
‑
2至508
‑
n的输出中的每一个被累积以在光电探测器阵列502的输出510处提供累积输出。随着每个spad检测到光子，其对应的spad电路输出预定量的电流，从而为累积输出做出贡献。因而，通过对累积输出进行采样，光电探测器系统(例如，光电探测器系统的处理器)可以确定检测到的光子的时间分布。在配置500中，累积输出由adc 512进行采样。adc 512可以以任何适合的方式实现，本文描述了其示例。
42.例如，图6示出了用于利用光电探测器系统的模拟实现方式(例如，使用光电探测器阵列502)的tcspc的示例性输出图600。输出图600示出了光电探测器阵列502针对单个激光脉冲的示例累积输出602。累积输出602开始于零，直到例如由光电探测器504
‑
1在事件1处检测到第一光子。对应的spad电路508
‑
1输出预定量的电流，从而将累积输出602从零升高到第一电流电平604，该第一电流电平604等于电流的预定量。在事件2处，第二光子例如由光电探测器504
‑
2检测。spad电路508
‑
2对应地从事件2开始输出预定量的电流，因此将累积输出602从第一电流电平604升高到第二电流电平606，该第二电流电平606等于电流的预定量的两倍。这是因为，spad电路508
‑
1和spad电路508
‑
2两者向输出510输出预定量的电流。每个附加的检测到的光子将累积输出602升高电流的预定量，这在事件3处的最终时间处示出。通过对累积输出602进行采样，累积输出602的电流电平以及与电流电平的改变相对应的时间(以及因此，事件1、2、3中的每一个的时间等)可以被识别以确定检测到的光子的时间分布。
43.可以以任何适合的方式对累积输出602进行采样。例如，采样电路可以包括可以用于捕获时间分布的适当快速的模数转换器(adc)(例如，具有10
‑
30吉比特每秒(gbps)的采样速率的adc)。利用这样的adc，acd可以具有最低有效位(lsb)，该lsb是每光电探测器电流平均值的小部分。adc还可以具有动态范围，该动态范围大于由整个激活的光电探测器阵列贡献的总电流(例如，光电探测器阵列中的光电探测器的数量乘以电流的预定量)。采样电路也可以包括被配置为将累积输出转换为输出电压的端接组件。例如，端接组件可以由被
配置为缓冲累积输出的跨阻抗放大器(tia)来实现。另外地或可替代地，端接组件可以由端接电阻器实现。由端接组件产生的输出电压可以与在预定的测量时间段中检测到光子的光电探测器的总数量成正比。
44.图7示出了用于tcspc的用于对光电探测器阵列的累积输出(例如，累积输出602)进行采样的光电探测器系统的另一示例性采样电路700。采样电路700包括端接电阻器702作为用于将累积输出转换为输出电压的端接组件。采样电路700还包括并联连接到端接电阻器702的多个采样分支704(采样分支704
‑
1至704
‑
n)。采样分支704均包括采样开关706(采样开关706
‑
1至706
‑
n)和采样电容器708。例如，采样分支704
‑
1包括采样开关706
‑
1和采样电容器708
‑
1。
45.采样开关706被配置为以期望的时序分辨率连续打开(例如，每50ps、20ps、100ps或者以任何适合的时序分辨率切换)。在每个采样开关706打开时，对应的采样电容器708将在时序分辨率的相应的采样时间处保持输出电压。例如，如果采样开关706每50ps打开，则采样开关706
‑
1可以在50ps处打开，其中采样电容器708
‑
1在50ps处保持第一经采样的输出电压；采样开关706
‑
2可以在100ps处打开，其中采样电容器708
‑
2在100ps处保持第二经采样的输出电压，以此类推通过n个采样时间。利用采样电容器708保持经采样的输出电压可以允许采样电路700包括相对慢的adc以读出经采样的电压中的每一个。
46.采样开关706的时序可以以任何适合的方式来控制。作为示例，时序可以由延迟锁相环(dll)控制以生成由时序分辨率分隔开的精确对齐的相位。另外地或可替代地，可以使用多于一个时序分辨率。例如，返回参考直方图300，光子中的大多数可以在预定的测量时间段的一部分期间被检测到。在直方图300中，该部分在时间间隙2.5到4之间。采样电路700可以被配置为以比预定的测量时间段的其余部分更高的采样速率来对感兴趣部分(例如，在时间2.5到4之间的部分)进行采样。使用多个时序分辨率可以允许更加高效的资源分配，使用较少的采样分支用于预定的测量时间段的其余部分并且使用较多的采样分支用于一个或多个感兴趣部分。
47.图8示出了可以根据本文描述的系统和方法使用的用于tcspc的用于对光电探测器阵列的累积输出进行采样的示例性采样时序图800。采样时序图800示出了多个激光脉冲802(激光脉冲802
‑
1至802
‑
7)。每个激光脉冲802跟随有要被采样的累积输出804(累积输出804
‑
1至804
‑
7)。adc可以用于以采样速率对累积输出804进行采样，该采样速率等于激光脉冲的速率加上特定延迟时间。如所示的，样本1取自在激光脉冲802
‑
1之后的特定时间(例如，1ns)处的累积输出804
‑
1。样本2取自在激光脉冲802
‑
2之后的2ns处的累积输出804
‑
2。样本3取自在激光脉冲802
‑
3之后的3ns处的累积输出804
‑
3。以这种方式，慢adc可以用于获取不同响应输出的不同时间间隙的样本，而不是尝试对每个响应输出的所有时间间隙进行采样。然而，由于激光脉冲802是重复的并且累积输出804也是用于在统计上生成直方图的重复的响应，因此对不同的响应输出进行采样可以提供与对每个响应输出进行采样实质上类似的直方图。
48.图9示出了可以根据本文描述的系统和方法使用的用于tcspc的用于对光电探测器阵列的累积输出进行采样的另一示例性采样时序图900。采样图900在y轴902上示出了光子的数量，并且在x轴904上示出了时间。采样图900示出了针对在阈值1、阈值2和阈值3处的光子数量的感兴趣阈值。采样图900还示出了累积输出906。adc可以用于对累积输出906进
行采样，从而聚焦于感兴趣阈值。在累积输出906满足感兴趣阈值的每个点处，确定用于满足阈值的时间。在该示例中，阈值1在时间t0处满足，阈值2在时间t1处满足，并且阈值3在时间t2处满足。聚焦于这样的阈值可以允许资源的更高效的分配。
49.图10示出了可以作为用于tcspc的光电探测器系统的示例性数字实现方式的一部分的光电探测器阵列1002(例如，光电探测器阵列104的实现方式)的示例性配置1000。光电探测器阵列1002包括并联连接的多个光电探测器1004(光电探测器1004
‑
1至1004
‑
n)。在配置1000中，光电探测器1004均包括spad 1006(spad 1006
‑
1至1006
‑
n)和spad电路1008(spad电路1008
‑
1至1008
‑
n)。例如，光电探测器1004
‑
1包括spad 1006
‑
1和spad电路1008
‑
1。
50.在数字实现方式中，spad电路1008均被配置为当对应的spad 1006检测到光子时输出数字信号的高状态。例如，如果spad 1006
‑
1检测到光子，则spad电路1008
‑
1输出高信号(例如，数字信号的高状态)。与在模拟实现方式中一样，光电探测器系统可以在预定的测量时间段期间放弃对spad 1006进行重置。因此，spad电路1008的输出可以在对应的spad1006检测光子时保持为高。以这种方式，spad电路1008的输出被累积以在光电探测器阵列1002的输出1012处提供累积输出。
51.每个spad电路1008的输出可以以任何适合的方式累积。作为示例，输出可以使用xor门1010的树(xor树)来累积。在该示例中，每个spad电路1008可以被馈送到xor门。如所示的，spad电路1008
‑
1和1008
‑
2馈送到xor门1010
‑
1。接下来的两个spad电路馈送到下一个xor门1010
‑
2。xor门1010
‑
1和1010
‑
2进而馈送到另一xor门1010
‑
3，使得每个spad电路1008与相邻的spad电路馈送到xor门1010，并且每个xor门1010连同相邻的xor门馈送到下游的另一xor门，直到输出被累积到输出1012处的累积输出中。
52.当任何spad 1006检测到光子并且对应的spad电路1008输出高信号时，接收高信号的xor门1010也将输出高信号。高信号将沿着xor树的对应的分支向下传播，从而将累积输出从低改变为高。如果另一spad 1006检测到另一光子，则接收高信号的xor门将翻转，无论是从高到低还是从低到高。该信号也将沿着xor树的对应的分支向下传播，直到累积输出从高翻转到低为止。因此，在光电探测器阵列1002检测到每个光子的情况下，累积输出将在逻辑状态之间切换(例如，从低到高以及从高到低)。通过对累积输出进行采样以对切换进行计数并且确定切换的次数，光电探测器系统可以确定检测到的光子的时间分布。基于光子的时间分布，光电探测器系统可以生成表示目标的光脉冲响应的直方图。
53.例如，图11示出了用于具有光电探测器系统的数字实现方式(例如，使用光电探测器阵列1002)的tcspc的示例性输出图1100。输出图1100示出了光电探测器阵列1002对于单个激光脉冲的示例累积输出1102。累积输出1102开始为低，直到第一光子在事件1处被检测到。第一光子可以例如由光电探测器1004
‑
1检测到。作为响应，对应的spad电路1008
‑
1输出高信号，从而将xor门1010
‑
1的输出从低改变为高，这进而对xor门1010
‑
3和1010
‑
m进行相同的操作，从而将累积输出1102从低切换到高。在事件2处，第二光子例如由光电探测器1004
‑
2检测到。作为响应，spad电路1008
‑
2也输出高信号，从而将xor门1010
‑
1的输出从高切换回到低，这进而对xor门1010
‑
3和1010
‑
m进行相同的操作，从而将累积输出1102从高切换到低。每个附加的检测到的光子将累积输出1102从一种逻辑状态切换到另一种状态，这在事件3处的最终时间处示出。通过对累积输出1102进行采样，累积输出1102的逻辑状态和
与逻辑状态的改变相对应的时间(以及因此，事件1、2、3中的每一个的时间等)可以被识别以确定检测到的光子的时间分布。
54.可以以任何适合的方式对累积输出1102进行采样。例如，采样电路可以包括时间到数字转换器(tdc)，该tdc被配置为检测累积输出1102的逻辑状态的改变并且识别改变的时间。
55.在数字实现方式的一些示例中，如果两个光子被spad检测到的时间足够接近(例如，在阈值量的时间内)，则可能发生碰撞事件。在发生一些碰撞事件的情况下，累积输出1102可以非常快速地切换两次，并且tdc可能错过逻辑状态的两次改变。在发生其他碰撞事件的情况下，累积输出1102可能根本不切换，或者切换的次数比spad检测到的光子少。因此，在一些示例中，光电探测器系统可以包括碰撞检测电路，该碰撞检测电路被配置为检测这样的碰撞事件以使在计数光子时的潜在误差最小化。
56.可以以任何适合的方式来实现碰撞检测电路。例如，碰撞检测电路可以包括与图10中示出的xor树一起布线的or树。or树可以包括位于or树的输入处的用于生成脉冲的附加电路。如果or树的输出对于脉冲(例如，50
‑
200ps)变为高，而xor树的输出不改变，则这将指示碰撞事件。
57.另外地或可替代地，碰撞检测电路可以包括一个或多个组件，这些组件被配置为确定在预定的测量时间段期间光电探测器阵列中的多少个光电探测器已经检测到光子。通过确定在预定的测量时间段期间已经发射的spad的总和并且将该总和与检测到的切换的总次数进行比较，可以通过计算在发射的spad的总和与切换的总次数之间的差异来确定碰撞事件的数量。
58.另外地或可替代地，图12示出了可以根据本文描述的系统和方法使用的用于tcspc的光电探测器系统的另一示例性碰撞检测电路1200。碰撞检测电路1200示出了多个spad电路1202(spad电路1202
‑
1至1202
‑
8)。每个spad电路1202馈送到多于一个xor树1204(xor树1204
‑
1 1204
‑
4)。在该示例中，spad电路1202
‑
1和1202
‑
2馈送到xor树1204
‑
1和1204
‑
4，spad电路1202
‑
3和1202
‑
4馈送到xor树1204
‑
1和1204
‑
2等。每个xor树1204由单独的采样电路1206(采样电路1206
‑
1至1206
‑
4)进行采样。通过将每个spad电路1202输出到多于一个xor树1204，减少了碰撞事件的概率，因为即使一对spad在阈值量的时间内检测到光子，该对中的每个spad也可以在另一采样电路1206中被正确地检测。
59.图13示出了可以根据本文描述的系统和方法使用的被包括在示例性光电探测器1302中包括的各种组件。光电探测器1302可以例如实现图1中示出的光电探测器106中的任一个和/或本文描述的其他光电探测器中的任一个。如所示的，光电探测器1302包括spad电路1304、控制电路1306、tdc 1308和信号处理电路1310。
60.spad电路1304可以包括spad和快速选通电路，spad和快速选通电路被配置为一起操作以检测入射到spad上的光子。如上面所描述的，当spad电路1304检测到光子时，spad电路1304可以生成输出。
61.控制电路1306可以由专用集成电路(asic)或者被配置为控制spad电路1304内的各种组件的操作的任何其他适合的电路实现。例如，控制电路1306可以输出控制逻辑，该控制逻辑控制spad电路1304内的一个或多个开关的操作，以选择性地对spad电路1304内的电容器充电，并且将被包括在spad电路1304中的spda置于配备或者解除配备状态。在一些示
例中，控制电路1306可以控制门延迟，这指定了控制电路1306在光脉冲(例如，激光脉冲)发生之后要等待的预定的时间量，以将spad置于配备状态。为此，控制电路1306可以接收光脉冲时序信息，其指示光脉冲发生的时间(例如，光脉冲被施加到大脑内的组织的时间)。控制电路1306还可以控制可编程门宽度，其指定了spad在被解除配备之前要保持在配备状态中多久。
62.控制电路1306还被配置为控制信号处理电路1310。例如，控制电路1306可以向信号处理电路1310提供直方图参数(例如，时间间隙、光脉冲的数量、直方图的类型等等)。信号处理电路1310可以根据直方图参数来生成直方图数据。
63.tdc 1308被配置为测量在由spad电路1304生成的输出脉冲的发生与光脉冲的发生之间的时间差。为此，tdc 138也可以接收与控制电路1306接收到的相同的光脉冲时序信息。tdc 1308可以由可以服务于特定的实现方式的任何适合的电路实现。
64.信号处理电路1310被配置为对由tdc 1308输出的数据执行一个或多个信号处理操作。例如，信号处理电路1310可以基于由tdc 1308输出的数据并且根据由控制电路1306提供的直方图参数来生成直方图数据。为了说明，信号处理电路1310可以基于由tdc 1308输出的数据来生成、存储、发送、压缩、分析、解码和/或以其他方式处理直方图。在一些示例中，信号处理电路1310可以向控制电路1306提供经处理的数据，该控制电路1306可以以任何适合的方式使用经处理的数据。
65.图14a示出了可以根据本文描述的系统和方法使用的示例性光电探测器系统1400。光电探测器系统1400可以实现本文描述的光电探测器系统中的任一个。如所示的，光电探测器系统1400包括设置在印刷电路板(pcb)1406上的光源1402和多个spad电路1404(即，spad电路1404
‑
1至1404
‑
16)。可替代地，spad电路1404(以及光电探测器系统1400的其他组件)可以被设置在asic上。光电探测器系统1400还包括对于spad 1404共同的控制电路1408、对于spad 1404共同的信号处理电路1410以及包括多个tdc的tdc阵列1412，这些tdc均对应于spad电路1404中的一个。控制电路1408、信号处理器电路1410和tdc阵列1412可以均被设置在pcb 1406上(如图14a中示出的)，或者位于光电探测器系统1400内的其他地方。每个spad电路1404与被包括在tdc阵列1412中的tdc、控制电路1408和信号处理电路1404组合，可以实现特定的光电探测器。因此，光电探测器系统1400可以被认为包括光电探测器的阵列。
66.光源1402可以被配置为生成可以被施加到期望目标(例如，大脑内的目标)的以一个或多个波长的一个或多个光脉冲。光源1402可以由组件的任何适合的组合实现。例如，光源1402可以由生成激光脉冲的激光源来实现。光源可以在pcb 1406上实现或者在pcb 1406外部实现。
67.spad电路1404在操作上各自类似于spad电路1304，并且可以被配置为在由光源1402生成的光脉冲的光子从目标(例如，诸如大脑组织之类的用户内部的目标)反射或散射之后检测该光子。spad电路1404还可以用于检测由于用于成像应用的环境光而从任何对象反射的光子。在这种情况下，不需要光源1402，因为光子由环境光或者由另一光源生成。
68.如所示的，spad电路1404被布置为pcb 1406上的四乘四阵列。每个spad电路1404的定位可以例如对应于像素阵列内的像素。spad电路1404可以可替代地以任何适合的方式布置。尽管图14a中示出了十六个spad电路1404，但是将认识到的是，光电探测器系统1400
中可以包括任何数量的spad电路。
69.控制电路1408在功能上可以类似于控制电路1306，并且可以被配置为控制spad电路1408中的每一个。信号处理电路1410可以在功能上类似于信号处理电路1310，并且可以被配置为处理由spad电路1404中的每一个输出的信号。tdc阵列1412可以包括多个tdc，这些tdc各自类似于tdc 1308，并且被配置为测量在光脉冲1402的发生与由spad电路1404中的每一个生成的输出脉冲之间的时间差。
70.光电探测器系统1400可以由任何适合的设备实现或者被包括在任何适合的设备中。例如，光电探测器系统1400可以被包括在用户可以穿戴的非侵入式可穿戴设备中以执行一个或多个诊断、成像和/或消费者相关的操作。
71.为了说明，图14b示出了实现光电探测器系统的示例性非侵入式可穿戴大脑接口系统1420(“大脑接口系统1420”)，该光电探测器系统可以类似于光电探测器系统1400。如所示的，大脑接口系统1420包括被配置为被附接到用户头部的头部可安装组件1422。头部可安装组件1422可以由穿戴在用户的头部上的帽子形状来实现。头部可安装组件1422的替代实现方式可以包括头盔、小帽子、头带、其他帽子形状或者适合于穿戴在用户的头部上的其他形式，等等。头部可安装组件1422可以由任何适合的布料、软聚合物、塑料、硬壳和/或可以服务特定的实现方式的任何其他适合的材料制成。与可穿戴大脑接口系统一起使用的头戴物的示例在美国专利第10,340,408号中进行了更加充分的描述，该美国专利以其整体通过引用并入本文。
72.头部可安装组件1422包括多个光电探测器1424和被配置为生成光脉冲的多个光源1426。将认识到的是，在一些替代实施例中，头部可安装组件1422可以包括单个光电探测器1424和/或单个光源1426。例如，大脑接口系统1420可以用于控制光学路径并且用于将光电探测器像素测量值转换为表示大脑组织区域的光学属性的强度值。大脑接口系统1420通过从源于光源1426到用户大脑内的目标位置的光子中提取数据，来允许对通过皮肤和骨骼的深度解剖位置进行光学检测，这与仅对浅表组织结构进行成像或者通过光学透明结构成像的传统成像系统和方法(例如，光学相干断层成像(oct))相反。
73.大脑接口系统1420还可以包括处理器1428，该处理器1428被配置为通过通信链路1430的方式与光电探测器1424和光源1426通信(例如，对其进行控制和/或从其接收信号)。通信链路1430可以包括任何适合的有线和/或无线通信链路。处理器1428可以包括任何适合的壳体并且可以位于用户的头皮、颈部、肩膀、胸部或者手臂上，这可以是期望的。在一些变型中，处理器1428可以与光电探测器1424和光源1426集成在相同的组装件壳体中。
74.如所示的，大脑接口系统1420可以可选地包括与处理器1428通信的远程处理器1432。例如，远程处理器1432可以存储来自光电探测器1424和/或处理器1428的来自先前的检测会话和/或来自多个大脑接口系统(未示出)的测量出的数据。用于光电探测器1424、光源1426和/或处理器1428的功率可以经由可穿戴电池(未示出)提供。在一些示例中，处理器1428和电池可以被包围在单个壳体中，并且携带来自处理器1428和电池的功率信号的电线可以延伸到光电探测器1424和光源1426。可替代地，可以无线地(例如，通过感应)提供功率。
75.在一些替代实施例中，头部可安装组件1422不包括单独的光源。相反，被配置为生成由光电探测器1424检测到的光的光源可以被包括在大脑接口系统1420中的其他地方。例
如，光源可以被包括在处理器1428中，并且通过电连接耦合到光电探测器单元1424。
76.本文描述的光源中的每一个可以由任何适合的设备来实现。例如，本文使用的光源可以例如是分布式反馈(dfb)激光器、超辐射二极管(sld)、发光二极管(led)、二极管泵浦固态(dpss)激光器、激光二极管(ld)、超辐射发光二极管(sled)、垂直腔表面发射激光器(vcsel)、钛蓝宝石激光器、微发光二极管(mled)和/或任何其他适合的激光器或光源。
77.图14a中示出的光电探测器系统1400可以可替代地被包括在非可穿戴设备(例如，医疗设备和/或消费者设备，其被放置在用户的头部或者其他主体部分附近以执行一个或多个诊断、成像和/或消费者相关的操作)中。光电探测器系统1400可以可替代地被包括在可穿戴侵入式设备(例如，用于大脑记录和成像的可植入医疗设备)的子组件外壳中。
78.可以在本文描述的光电探测器架构中使用任何适合的spad电路。本文描述的spad电路中的一些利用电容器(或者在一些情况中利用spad本身的寄生电容器)进行选通，该电容器在提供命令以配备spad之前利用偏置电压预充电。这在美国专利第10,158,038号中进行了更加充分的描述，该美国专利以其整体通过引用并入本文。
79.图15示出了用于使用光电探测器系统(例如，本文描述的光电探测器系统中的任一个)执行tcspc的示例性方法1500。尽管图15示出了根据一个实施例的示例性操作，但是其他实施例可以省略、添加、重新排序和/或修改图15中示出的操作中的任一个。
80.在操作1502中，处理器从多个光电探测器接收累积输出，该累积输出表示在预定的测量时间段期间，来自检测光子的多个光电探测器中的每一个的相应的输出的累积，该预定的测量时间段是响应于光脉冲指向主体内的目标而发生的。操作1502可以以本文描述的任何方式执行。
81.在操作1504中，处理器基于累积输出来确定由多个光电探测器检测到的光子的时间分布。操作1504可以以本文描述的任何方式执行。
82.在操作1506中，处理器基于光子的时间分布来生成表示主体内的目标的光脉冲响应的直方图。操作1506可以以本文描述的任何方式执行。
83.图16示出了可以被专门配置以执行本文所描述的过程中的一个或多个的示例性计算设备1600。如在图16中示出的，计算设备1600可以包括经由通信基础设施1610彼此通信地连接的通信接口1602、处理器1604、存储设备1606和输入/输出(“i/o”)模块1608。尽管在图16中示出了示例性计算设备1600，但是图16中示出的组件并不旨在是限制性的。在其他实施例中，可以使用附加或可替代的组件。现在将对图16中示出的计算设备1600的组件进行附加的详细描述。
84.通信接口1602可以被配置为与一个或多个计算设备通信。通信接口1602的示例包括但不限于有线网络接口(例如，网络接口卡)、无线网络接口(例如，无线网络接口卡)、调制解调器、音频/视频连接以及任何其他适合的接口。
85.处理器1604通常表示能够处理数据和/或解释、执行和/或指导本文描述的指令、过程和/或操作中的一个或多个的完成的任何类型或形式的处理单元。处理器1604可以通过执行存储在存储设备1608中的计算机可执行指令1612(例如，应用、软件、代码和/或其他可执行数据实例)来执行操作。
86.存储设备1606可以包括一个或多个数据存储介质、设备或配置，并且可以采用数据存储介质和/或设备的任何类型、形式和组合。例如，存储设备1606可以包括但不限于本
文描述的非易失性介质和/或易失性介质的任何组合。包括本文描述的数据的电子数据可以被临时和/或暂时存储在存储设备1606中。例如，表示被配置为指导处理器1604执行本文描述的操作中的任一个的计算机可执行指令1612的数据可以被存储在存储设备1606内。在一些示例中，数据可以被布置在驻留在存储设备1606内的一个或多个数据库中。
87.i/o模块1608可以包括被配置为接收用户输入并且提供用户输出的一个或多个i/o模块。i/o模块1608可以包括支持输入和输出能力的任何硬件、固件、软件或者其组合。例如，i/o模块1608可以包括用于捕获用户输入的硬件和/或软件，包括但不限于键盘或小键盘、触摸屏组件(例如，触摸屏显示器)、接收机(例如，rf或红外接收机)、运动传感器和/或一个或多个输入按钮。
88.i/o模块1608可以包括用于向用户呈现输出的一个或多个设备，包括但不限于图形引擎、显示器(例如，显示屏)、一个或多个输出驱动器(例如，显示驱动器)、一个或多个音频扬声器以及一个或多个音频驱动器。在某些实施例中，i/o模块1608被配置为向显示器提供图形数据以向用户呈现。图形数据可以表示一个或多个图形用户接口和/或可以服务于特定的实现方式的任何其他图形内容。
89.在一些示例中，本文描述的系统、计算设备、处理器、控制器单元和/或其他组件中的任一个可以由计算设备1600实现。例如，处理器108和/或控制器单元112可以由处理器1604实现。
90.在先前描述中，已经参考附图描述了各种示例性实施例。然而，将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变，并且可以实现附加实施例。例如，本文描述的一个实施例的某些特征可以与本文描述的另一实施例的特征组合或者代替另一实施例的特征。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制意义的。