一种基于希尔伯特曲线的SPAD阵列及成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于希尔伯特曲线的SPAD阵列及成像方法，属于半导体器件技术领域和图像通信技术领域。本发明专利技术包括多个像素单元构成的像素阵列、希尔伯特线阵、首读出模块和尾读出模块；希尔伯特格点是指按照希尔伯特曲线的形式进行排布的希尔伯特线阵上的点；每个像素的输出与一个希尔伯特格点相连；首读出模块和尾读出模块分别与希尔伯特线阵的起点和终点相连；希尔伯特线阵负责脉冲信号传输。在本发明专利技术中，只需测希尔伯特线阵的首尾信号，即可进行成像。相较于传统含有计数电路的SPAD阵列，像素阵列大大减小、像素填充因子变得更高，可实现超高速读出；本发明专利技术极大地缩小了面积，尤其适用于低成本、低功耗、低照度、超高速的系统中。统中。统中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于希尔伯特曲线的SPAD阵列及成像方法


[0001]本专利技术涉及一种基于希尔伯特曲线的SPAD阵列及成像方法，属于半导体器件
和图像通信


技术介绍

[0002]根据量子理论，光子是光能量的最小载体，因此光电探测器灵敏度的理论极限就是能探测单个光子。SPAD（single photon avalanchediode，单光子雪崩二极管）是一种工作在极高反向偏压下的光电二极管，当单个光子入射并产生载流子时，光生载流子会在反向偏压的作用下不断加速并碰撞产生新的电子
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空穴对，从而在极短时间（一般在 ps 量级）内产生雪崩电流信号，因此SPAD在具备单光子探测能力的同时还能通过电信号的变化精确地测量光子的到达时间。
[0003]单个SPAD的特性优势可以和阵列连为一体。单光子雪崩光电二极管(SPAD)阵列，受到如3D成像、荧光寿命成像、激光雷达等应用的青睐，未来研究场景广泛，但常常受到低填充因子(fill factor，指感光区域面积与像元面积的比值)的困扰。SPAD填充因子（填充因子是感光区和像素大小的比例）的数值通常小于5%，因为计数电路面积极大，若牺牲一部分性能，如删除计数电路，SPAD阵列填充因子也可以高达60%，而若删除单元，业内常见的作法为片外计数，通过得到单位曝光时间的计数器数值来反映出灰度信息，这种做法具有很大的局限性，片外计数只能一个一个进行读取，阵列中有多少像素，片外计数的时间就会增大多少倍，这样芯片面积减小，成本更低，但是对超高速的应用有极大的限制。现在超高速、高填充因子在SPAD阵列中不可得兼。
[0004]集成多个像素的SPAD阵列具备并行的单光子信息采集能力，在探测效率方面优于传统的单点扫描架构。此外还可以将光子计数电路以及时间测量电路集成至 SPAD 阵列中，对 SPAD 阵列的功能性与可扩展性有明显提升。而这样做法具有很大局限性，计数器所用面积极大，设计中所用电路更加复杂，因此消除计数器成为现在面临的一大难题。

技术实现思路

[0005]为了克服上述提及的至少一个问题，比如超高速、高填充因子在SPAD阵列中不可得兼的问题，消除计数器存在的难题等，本专利技术提供了采用了一种基于希尔伯特曲线的SPAD阵列及成像方法，可在像素有高填充因子的同时完成超高速的应用。相较于传统含有计数电路的SPAD阵列，本专利技术只需首尾两个读出电路，相同像素下像素阵列大大减小、像素填充因子变得更高；相较于片外计数SPAD阵列，本专利可实现超高速读出，同时采集整个阵列所有像素的灰度。
[0006]本专利技术所采用的Hilbert曲线（Hilbert Curve，希尔伯特曲线），是一种填充曲线。Hilbert曲线依据自身空间填充曲线的特性，可以线性地贯穿二维或者更高维度每个离散单元，并且仅仅穿过一次，并对每个离散单元进行线性排序和编码，该编码作为该单元的唯一标识。空间填充曲线可以将高维空间中没有良好顺序的数据映射到一维空间，经过这种
编码方式，空间上相邻的对象会邻近存储在一块，可以减少IO的时间，提高内存中数据处理效率。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术的基于希尔伯特曲线的SPAD阵列，包括多个像素单元构成的像素阵列（SPAD阵列）、希尔伯特线阵、首读出模块和尾读出模块；其中，希尔伯特线阵是指按照希尔伯特曲线的形式进行排布的线阵，希尔伯特格点是指希尔伯特线阵上的点；每个像素的输出与一个希尔伯特格点相连；首读出模块与希尔伯特线阵的起点相连，尾读出模块与希尔伯特线阵的终点相连；希尔伯特线阵负责脉冲信号传输。
[0009]所述像素单元包括单光子雪崩二极管SPAD；其中SPAD连接到一反向偏置电压使得SPAD工作在盖革模式下。
[0010]所述像素单元，还包括与SPAD相连的淬灭电路单元、与淬灭电路相连的脉冲整形电路。
[0011]所述首读出模块，获取脉冲信号达到希尔伯特线阵的起点的信息（比如时间）；所述尾读出模块，获取脉冲信号达到希尔伯特线阵的终点的信息。
[0012]所述基于希尔伯特曲线的SPAD阵列，还包括行时序控制电路、列时序控制电路。
[0013]本专利技术的工作原理如下：
[0014]希尔伯特线阵响应于控制信号高电平进入信号采集模式，在采集模式下，SPAD感受到入射到像素上的光，从而产生电信号，与SPAD相连（像素的输出相连）的希尔伯特格点对电信号进行捕捉，并在希尔伯特线阵上进行传输，传输到希尔伯特线阵的起点位置和终点位置。根据电信号在导线（即希尔伯特线阵）中的传递具有延迟性，电信号延迟时间可通过测试获得，即可根据电信号到达首读出模块和尾读出模块的时间差获得电信号产生在希尔伯特线阵上的位置（即希尔伯特格点所在位置，对应地能获得像素的位置），记作[0:1]之间的一个数字，最后通过希尔伯特曲线的反推换算可得到电信号在某行某列，即光信号所在位置，希尔伯特线阵响应于主动淬灭信号，主动淬灭完成之后的像素可以继续接收光子发射脉冲。
[0015]所述基于希尔伯特曲线的SPAD阵列中，定义起点所对应的像素，为像素起点位置，即零点位置，记作0；定义终点所对应的像素，为像素终点位置，记作1。可选地，定义左下角像素为像素起点位置，即零点位置，记作0；定义右下角像素为像素终点位置，记作1。
[0016]根据本专利公开的一示例，所述光信号为光子，是传递电磁相互作用的基本粒子。
[0017]根据本专利公开的一示例，所述淬灭电路单元，在SPAD接收到单个光子发生雪崩击穿之后，降低SPAD的反向偏置电压使得雪崩淬灭。
[0018]根据本专利公开的一示例，所述脉冲整形电路，对淬灭电路输出的信号进行脉冲整形，并向首读出模块和尾读出模块发射脉冲信号。
[0019]根据本专利公开的一示例，其中，每一个像素包括：时序控制电路，生成所述的控制信号和主动淬灭时钟，提供给SPAD阵列的每一个像素。
[0020]根据本专利公开的一示例，所述首读出模块和尾读出模块，由时钟发射器、计数器和锁存器三个模块组成，读出脉冲到达首读出模块和尾读出模块的时间。
[0021]根据本专利公开的一示例，多个像素单元的SPAD负责探测和接受光子，希尔伯特线阵负责将脉冲信号传输。
[0022]根据本专利公开的一示例，多个像素单元组成的像素阵列和希尔伯特线阵被布置在同一层上，像素阵列中每个像素的输出与希尔伯特线阵相连。
[0023]根据本专利公开的一示例，多个像素单元组成的像素阵列和希尔伯特线阵基于3D堆栈工艺被布置在不同的不同层上，并且像素阵列中的单个像素的输出和希尔伯特线阵上对应的希尔伯特格点进行电连接。
[0024]根据本专利公开的一示例，所述淬灭电路和所述脉冲整形电路中集成在所述像素单元中。
[0025]本专利技术还提供一种基于希尔伯特曲线的SPAD成像方法，包括：多个像素单元组成的像素阵列（SPAD阵列）、按照希尔伯特曲线的形式进行排布的希尔伯特线阵，与每个像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于希尔伯特曲线的SPAD阵列，其特征在于，包括多个像素单元构成的像素阵列、希尔伯特线阵、首读出模块和尾读出模块；其中，希尔伯特线阵是指按照希尔伯特曲线的形式进行排布的线阵，希尔伯特格点是指希尔伯特线阵上的点；每个像素的输出与一个希尔伯特格点相连；首读出模块与希尔伯特线阵的起点相连，尾读出模块与希尔伯特线阵的终点相连；希尔伯特线阵负责脉冲信号传输。2.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其特征在于，所述像素单元包括单光子雪崩二极管SPAD；其中SPAD连接到一反向偏置电压使得SPAD工作在盖革模式下。3.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其特征在于，所述像素单元，还包括与SPAD相连的淬灭电路单元、与淬灭电路相连的脉冲整形电路。4.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其特征在于，所述首读出模块，获取脉冲信号达到希尔伯特线阵的起点的信息；所述尾读出模块，获取脉冲信号达到希尔伯特线阵的终点的信息。5.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其特征在于，所述基于希尔伯特曲线的SPAD阵列，还包括行时序控制电路、列时序控制电路。6.根据权利要求1所述的SPAD阵列，其特征在于，所述首读出模块和尾读出模块，由时钟发射器、计数器和锁存器三个模块组成，读出脉冲到达首读出模块和尾读出模块的时间。7.一种基于希尔伯特曲线的SPAD成像方法，包括：多个像素单元组成的像素阵列、按照希...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫锋，王一鸣，吴天泽，王凯，杨婷，蒋骏杰，杨思千，蔡梦瑶，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：