应用于单光子雪崩二极管的光信号线性存储方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及单光子探测器领域，特别是一种基于单光子雪崩二极管的光信号线性 存储方法，其能够实现对光信号的线性存储与读取。
【背景技术】
[0002] 近年来，固态数字图像传感器技术得到了飞速的发展。固态数字图像传感器技术 目前主要包括电荷禪合器件技术（化arge Coupled Device,简称CCD)和CMOS图像传感器 技术（CMOS Active Pixel Sensor,简称CM0S-APS)。特别是进入二^--世纪W来，随着标 准集成电路工艺向着纳米量级发展，CMOS-APS技术得W获得更加升入的发展，在集成度、功 耗W及成本上已经完全超越CCD，成为主流的消费品技术。
[0003] 然而，随着微光成像技术、超高速成像技术W及量子光学技术的发展，传统的数字 成像技术在成像速度和灵敏度上都遇到了巨大的挑战。在高速成像或微光条件下成像，由 于曝光时间短，图像传感器所能够获得的光子信号非常微弱，而由于其本身的信噪比限制， 造成传感器获得的图像不清晰。因此，如何进行微弱光信号的探测W及超高速成像，逐渐成 为国内外研究的热点。
[0004] 单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode,简称SPAD)是一种工作在 盖革模式（Geiger Mode)下的光电二极管，其灵敏度能够达到单个光子级别，并且其时间分 辨率可达皮砂量级。SPAD兼具单光子灵敏度和皮砂分辨率两大特点，使其在微光探测和超 高速成像领域得到了极大的关注，已经成为新的固态图像传感器研究热点技术。
[0005] 如何将SPAD获得的高速信号及时准确的读出是现阶段急需解决的一个重要问 题，读出电路的设计将直接影响到SPAD最终的探测质量。SPAD所输出的信号为一个脉冲信 号，因此，传统的探测器通常都采用数字信号的读出方式，每个SPAD像素单元都配备一个 读出电路，W及用来记录脉冲信号个数的高速计数器和锁存器等电路，所设计的电路方案 可W保证最大限度的发挥SPAD高速探测送一特点。然而，由于每个像素都包含有一个庞大 的电路模块，使得最终的单元像素面积过大，导致传感器的集成度不高，分辨率低。送也制 约了 SPAD作为成像传感器的像素分辨率性能。
【发明内容】
[0006] 近年来，固态数字图像传感器技术得到了飞速的发展。固态数字图像传感器技术 目前主要包括电荷禪合器件技术（化arge Coupled Device,简称CCD)和CMOS图像传感器 技术（CMOS Active Pixel 86113〇'，简称〔105-4?5)。特别是进入二^-一世纪W来，随着标 准集成电路工艺向着纳米量级发展，CMOS-AI^技术得W获得更加升入的发展，在集成度、功 耗W及成本上已经完全超越CCD，成为主流的消费品技术。
[0007] 然而，随着微光成像技术、超高速成像技术W及量子光学技术的发展，传统的数字 成像技术在成像速度和灵敏度上都遇到了巨大的挑战。在高速成像或微光条件下成像，由 于曝光时间短，图像传感器所能够获得的光子信号非常微弱，而由于其本身的信噪比限制， 造成传感器获得的图像不清晰。因此，如何进行微弱光信号的探测W及超高速成像，逐渐成 为国内外研究的热点。
[0008] 单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode,简称SPAD)是一种工作在 盖革模式（Geiger Mode)下的光电二极管，其灵敏度能够达到单个光子级别，并且其时间分 辨率可达皮砂量级。SPAD兼具单光子灵敏度和皮砂分辨率两大特点，使其在微光探测和超 高速成像领域得到了极大的关注，已经成为新的固态图像传感器研究热点技术。
[0009] 如何将SPAD获得的高速信号及时准确的读出是现阶段急需解决的一个重要问 题，读出电路的设计将直接影响到SPAD最终的探测质量。SPAD所输出的信号为一个脉冲信 号，因此，传统的探测器通常都采用数字信号的读出方式，每个SPAD像素单元都配备一个 读出电路，W及用来记录脉冲信号个数的高速计数器和锁存器等电路，所设计的电路方案 可W保证最大限度的发挥SPAD高速探测送一特点。然而，由于每个像素都包含有一个庞大 的电路模块，使得最终的单元像素面积过大，导致传感器的集成度不高，分辨率低。送也制 约了 SPAD作为成像传感器的像素分辨率性能。
[0010] 针对传统SPAD探测器电路设计的缺点，本发明提出了一种全新的光信号线性存 储方法，其特点在于将SPAD所获得光信号暂时存储，待一个探测周期结束后由读出电路统 一读取，极大的增加了传感器的占空比，提高了像素集成度。
[0011] 所述的应用于单光子雪崩二极管的光信号线性存储方法，包括一个存储电路模块 和一个读出电路模块，其结构示意图如图1所示。存储电路模块由一个电容和H个MOS管 组成，读出电路模块由一个源跟随器和一个选择MOS管组成。具体的操作过程如下： (1) 复位阶段：在进行光信号探测前，偏置化St电压，使得MOS管M3导通，偏置Vin电 压，使得MOS管M2关断，将电容Cap充电至电源电压值V孤； (2) 光信号存储阶段；在复位阶段完成后，偏置化St电压，使得MOS管M3关断，偏置Vin 电压，使得MOS管M2导通，SPAD开始进行光电子探测。当SPAD探测到一个光子信号时，反 相器输出一个高压脉冲信号化，送个高压信号使得MOS管Ml导通，从而形成一个到地端的 回路，对电容Cap进行放电。当SPAD没有探测到光子信号时，反相器输出低电平信号，MOS 管Ml关断，电容放电回路被切断，维持现有电位。如此反复，SPAD每探测到一个光子信号， 电容Cap就进行一次放电，电容Cap的最终端电位大小与SPAD所探测到的光子数成线性关 系，此电位在复位之前将不会变化，相当于将光信号存储于Cap之中； (3) 信号读出阶段：当SPAD完成一个周期的光信号探测后，偏置MOS管M4电压Vsel, 使得MOS管M4导通，利用源极跟随器，最终的输出电压信号Vout即为电容Cap的终电位， 从而实现对信号的读出。
[0012] 所述的应用于雪崩二极管的光信号线性存储方法，能够将SPAD所探测到的光信 号暂时存储于电容Cap之中，无需计数器记录SPAD所探测到的光电子数目，从而增加了传 感器阵列的占空比，提高集成度。