基于SPAD的设备的动态范围扩展制造技术

公开了一种辐射敏感设备。该设备包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)和电路，该电路被配置为相关于入射辐射的强度来适配多个SPAD的读出速率。还公开了一种增加包括多个SPAD的辐射敏感设备的动态范围的相关联方法。该方法包括相关于入射辐射的强度适配多个SPAD的读出速率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于SPAD的设备的动态范围扩展


[0001]本公开属于用于需要大动态范围的测量(诸如护理点测试、电子鼻应用和环境辐射感测)的基于SPAD的设备的领域。

技术介绍

[0002]在发光和荧光辐射传感器领域中需要检测具有大动态范围(DR)的辐射发射。这种传感器可以例如用于护理点(PoC)测试或电子鼻(E
‑
nose)类型的应用或环境辐射传感器应用。
[0003]在PoC应用中，流体或空气中生物或化学物质的存在可以通过它们与互补物质的相互作用来检测，这可能导致化学发光或荧光辐射发射。发射的辐射的水平可以在极低水平和极高水平之间动态地变化。为了实现完整的信号捕获，适用于这种应用的辐射传感器必须表现出非常高的动态范围。
[0004]基于单光子雪崩二极管(SPAD)的光子计数器通过对各个光子进行计数来提供检测非常低水平的辐射的能力。可检测信号的最低水平可能由于暗计数率(DCR)而受到噪声的限制。可检测信号的最高水平可能受到SPAD二极管本身的速度、与SPAD相关联的计数器的容量和/或相关电路的能力的限制。在一些应用中，这可限制基于SPAD的传感器的动态范围。
[0005]一些传感器实施方式可包括大量SPAD以便改善低辐射水平下的信噪比。然而，这样大量的SPAD可能导致相关联电路的增加，从而潜在地进一步限制可实现的动态范围。
[0006]在其他现有技术的传感器实施方式中，可在单个设备内与一个或多个针孔(pinhole)组合地使用不同的SPAD区域，以便调整入射在不同SPAD区域上的辐射强度。例如，可以实现在黑色介质中具有移位孔的堆叠针孔以减少入射辐射的强度。实施这种解决方案的传感器可能很大，可能需要附加组件，并且可能表现出相对差的信噪比。
[0007]因此，期望提供一种适合于PoC测试或电子鼻应用的具有大动态范围的辐射传感器，而不损害信噪比，或者不需要附加组件或不需要显著增加设备尺寸。
[0008]因此，本公开的至少一个方面的至少一个实施例的目的是消除或至少减轻现有技术的上述缺点中的至少一个。

技术实现思路

[0009]本公开属于基于SPAD的设备领域，并且具体地涉及具有适用于护理点测试、电子鼻应用和环境辐射感测应用的大动态范围的基于SPAD的设备。
[0010]根据本公开的第一方面，提供了一种辐射敏感设备，其包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)和被配置为相关于入射辐射的强度适配多个SPAD的读出速率的电路。
[0011]有利的是，通过适配读出速率，可以相应地适配给定SPAD可用于检测光子撞击的时间量。由于每个SPAD在每个读出周期之间只能记录单个光子撞击事件，例如在相对高强度的入射辐射期间具有相对长的读出时间可能导致大量的多个SPAD没有记录光子撞击事
件，从而限制了可以测量的辐射强度。通过相关于入射辐射的强度适配读出速率，可以最小化没有记录光子撞击事件的SPAD的量，因此可以增加辐射敏感设备的动态范围，同时保持足够的信噪比。
[0012]该电路可以被配置为响应于入射辐射的强度超过阈值来增加读出速率。该电路可以被配置为响应于入射辐射的强度等于或低于阈值来减小读出速率。
[0013]有利的是，阈值，例如预定阈值，可以定义确保维持足够的信噪比、同时还提供辐射敏感设备的增加的动态范围所需的读出速率。例如，通过适配读出速率，可以测量的辐射强度的极限被相应地适配。通过改变读出速率，可以在给定读出周期内读出的多个SPAD中的SPAD的量也可以改变。有益的是，定义阈值可以实现可用SPAD的量和读出速率之间的折衷，从而有效地折衷动态范围的可实现信噪比。已经认识到，在高强度水平的入射辐射下，有足够的信噪比，使得较小数量的SPAD就足够了，因此允许更高的读出速率，从而允许更大的动态范围。
[0014]阈值可以是可编程的。
[0015]有利的是，阈值可以由用户可编程字段来定义，从而能够在动态范围和可实现的信噪比之间实现可编程的折衷。例如，该设备可以具有用于定义一个或多个阈值的一个或多个可编程寄存器。
[0016]在一些实施例中，可以定义多个阈值。例如，随着入射辐射的强度从低于第一阈值增加到高于第一阈值，多个SPAD中的至少一些的读出速率可以从第一速率增加到更高的第二速率。如果入射辐射的强度进一步从低于第二阈值增加到高于第二阈值，则多个SPAD中的至少一些的读出速率可以进一步从第二速率增加到更高的第三速率。应该理解的是，如果入射辐射的强度减小到跨越阈值，例如第二或第一阈值，那么多个SPAD中的至少一些的读出速率将相应地减小。
[0017]可以通过读出多个SPAD的至少一部分的一个或多个循环来确定入射辐射的强度。
[0018]有利的是，对入射辐射的强度的确定可以用于确定读出速率，并因此确定可以被读出的SPAD的量，用于随后对入射辐射的强度的确定。
[0019]该电路可以被配置为相关于入射辐射的强度来适配所读出的多个SPAD中的SPAD的量。
[0020]有利的是，可以读出满足所需信噪比所需的最小量的SPAD。通过最小化被读出的SPAD的量，可以最大化整体读出速率。也就是说，对于包括数量为“Num
SPAD”的SPAD、并且其中读出和复位与每个SPAD相关联的锁存器所需的时间是“T
1_SPAD”的辐射敏感设备，多个SPAD的总读出时间是Num
SPAD
×
T
1_SPAD
。每个SPAD在每个读出周期之间只能记录一个事件。因此，每个SPAD每秒可以读取的光子的最大数量被限制为1/(Num
SPAD
×
T
1_SPAD
)减去任何暗计数率贡献。一旦入射辐射的强度增加，使得在读出周期中每个SPAD有一个以上的光子到达，则光子撞击事件的记录可能会丢失。通过最小化所需SPAD的数量，可以减少总读出时间，因此可以增加任何单个SPAD可以被读出的速率，从而最小化丢失的光子撞击的量。
[0021]当入射辐射的强度高时，少量的SPAD可以被读出以确定该强度。当入射辐射的强度相对较低时，相对大量的SPAD可以被读出以确定该强度。
[0022]有利的是，在入射辐射的强度处于高水平时，可能不需要相对大量的SPAD来实现期望的信噪比，因此可以使用相对少量的SPAD来增加SPAD的整体读出速率。相同的原理适
用于相对低水平的入射辐射的强度，其中可能需要相对大量的SPAD来实现期望的信噪比，因此可以使用更大量的SPAD，从而减小SPAD的整体读出速率。
[0023]多个SPAD中的每个SPAD可以具有用于寄存光子撞击的相关联的单位(single
‑
bit)计数器。
[0024]有利的是，通过仅将单位计数器与每个SPAD相关联，可以最小化辐射敏感设备的整体尺寸。一种可替换的架构可以采用每个SPAD多位计数器来最小化丢失光子撞击事件的可能性，这可能导致与更大的整体设备面积相关的成本。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种辐射敏感设备(420)，包括：多个单光子雪崩二极管(SPAD)(105
‑0……
N)；以及电路(115)，被配置为相关于入射辐射的强度来适配所述多个SPAD的读出速率。2.根据权利要求1所述的辐射敏感设备(420)，其中所述电路(115)被配置为：
‑
响应于入射辐射的所述强度超过阈值来增加读出速率；
‑
响应于入射辐射的所述强度等于或低于所述阈值来减小读出速率。3.根据权利要求2所述的辐射敏感设备(420)，其中所述阈值是可编程的。4.根据任一前述权利要求所述的辐射敏感设备(420)，其中通过读出所述多个SPAD(105
‑0……
N)的至少一部分的一个或多个循环来确定入射辐射的所述强度。5.根据任一前述权利要求所述的辐射敏感设备(420)，其中所述电路(115)被配置为相关于入射辐射的所述强度来适配被读出的所述多个SPAD(105
‑0……
N)中的SPAD的量。6.根据权利要求5所述的辐射敏感设备(420)，其中当所述强度高时，少量的SPAD(105
‑0……
N)被读出以确定入射辐射的所述强度，以及当所述强度相对低时，相对大量的SPAD被读出以确定入射辐射的所述强度。7.根据任一前述权利要求所述的辐射敏感设备(420)，其中所述多个SPAD(105
‑0……
N)中的每个SPAD具有用于寄存光子撞击的相关联的单位计数器(110
‑0……

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：ams国际有限公司，
类型：发明
国别省市：