一种具有地址编码功能的抗背景光噪声事件检测型单光子探测器

本发明涉及一种具有地址编码功能的抗背景光噪声事件检测型单光子探测器，属于单光子探测器。

背景技术：

1、单光子探测器是一种能够探测单个光子信号的精密光学传感器，具有极高的灵敏度和时间分辨率。它通过将微弱的光信号转换为可测量的电信号，在极低光强环境下实现光子级别的探测。作为现代光学探测技术的重要组成部分，单光子探测器在量子通信、激光雷达、生物医学成像等领域发挥着关键作用。

2、单光子探测器主要由单光子雪崩光电二极管（spad）和淬灭电路组成。具体流程为：spad通过雪崩倍增效应将捕获到的单个光子转换为电脉冲，淬灭电路则负责终止雪崩过程并恢复spad状态，以便探测下一个光子。然而，在实际应用场景中，背景光噪声干扰成为影响单光子探测器性能的关键因素。光噪声可能导致淬灭电路误触发，特别是当噪声信号独立出现时，单个回波信号极有可能被误判为有效信号。为解决这一问题，光子事件检测电路应运而生。该电路能够有效收集连续回波光子，通过排除由噪声引起的孤立回波信号，显著提升探测器的抗干扰能力。

3、目前，主流的光子事件检测电路采用以下工作机制：当检测到第一个光子回波信号时，电路同步生成一个时间窗口信号。若窗口内的回波信号数量达到预设阈值，窗口信号关闭，并输出一个高电平信号，作为该像素内的有效光子回波信号。尽管这一设计在抑制光噪声干扰方面取得了一定成效，但仍面临两个关键挑战：其一，由于以第一个光子信号作为窗口起始点，有效回波信号与起始点之间存在时间误差，这种误差在激光雷达等测距应用中会直接转化为测距误差，影响测量精度；其二，电路通常应用于宏像素单元，无法细分像素内各单元，限制了探测器的空间分辨率。因此，开发一种既能精准测取回波光子信号，又不受分辨率限制的检测电路，对于提升激光雷达测距及成像性能具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有的光子事件检测电路无法精确测取回波光子信号、限制探测器空间分辨率的问题，提出了一种具有地址编码功能的抗背景光噪声事件检测型单光子探测器，该单光子探测器在带地址编码功能的光子事件检测电路中能够保证分辨率的同时，又能够保证获取回波光子的精确性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器，其包括4个spad器件、淬灭电路、光子事件检测电路和地址编码电路。所述淬灭电路输入端为v1~v4和vc。其中v1~v4端接spad器件的阳极；vc端接0~1.8v电压信号。所述淬灭电路输出端为s1~s4，分别连接光子事件检测电路的输入端i1~i4和地址编码电路的输入端t1~t4。所述光子事件检测电路输入端为i1~i4、p1、p2、r和vp。其中i1~i4端接淬灭电路输出的四路光子淬灭信号；p1和p2接高/低电平信号，控制光子事件检测电路的光子阈值；r端接复位信号；vp接0~1.8v电压信号，控制光子事件检测电路的窗口宽度。所述光子事件检测电路输出端为timing和win，分别连接地址编码电路的int端和inwin端。所述地址编码电路的输入端为t1~t4、int和inwin。t1~t4端接淬灭电路输出的光子淬灭信号；int端接光子事件检测电路的timing端；inwin端接光子事件检测电路的win端。

3、作为本发明所述具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器的一种优选方案，其中：所述的淬灭电路包括四个nmos管、两个pmos管、一个或门和一个反相器。四个nmos管分别记为nm1、nm2、nm3、nm4；两个pmos管分别记为pm1、pm2；一个或门记为or；一个反相器记为inv。nm1的漏极、源极、栅极分别接单个spad器件阳极/nm2源极、地、外部电压vc/nm2栅极；nm2的漏极、源极、栅极分别接pm1栅极/nm3栅极、nm1漏极、外部电压vc/nm2栅极；nm3的漏极、源极、栅极分别接pm1漏极/nm4栅极、地、nm2漏极/pm1栅极；nm4的漏极、源极、栅极分别接pm2漏极/或门or输入级a1、地、pm1漏极/nm3漏极/或门or输入级a2；pm1的漏极、源极、栅极分别接nm3漏极/nm4栅极/或门or输入级a2、电源、nm2漏极/nm3栅极；pm2的漏极、源极、栅极分别接nm4漏极/或门or输入级a1、电源、或门or输出级o/反相器输入级i；或门or输入端a1、a2分别接nm4漏极/pm2漏极、nm3漏极/nm4栅极/pm1漏极；或门or输出端o分别接pm2栅极/反相器inv输入级i；反相器inv输入端分别接pm2栅极/或门or输出级o；反相器inv输出端接光子事件检测电路输入级。

4、作为本发明所述具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器的一种优选方案，其中：所述的光子事件检测电路包括三个d触发器、两个延时单元、四个反相器、五个与门和五个或门。三个d触发器分别记为dff1、dff2、dff3；两个延时单元分别记为delay1、delay2；四个反相器分别记为inv1、inv2、inv3、inv4；五个与门分别记为and1、and2、and3、and4、and5；五个或门分别记为or1、or2、or3、or4、or5。dff1输入端d、clk、r分别接电源vdd、or5的输出端ck和and5的输出端outr；dff1输出端q接inv1和and1的输入端；dff2输入端d、clk、r分别接dff2的输出端qb、or5的输出端ck和and5的输出端；dff2输出端q接or1的输入端、qb接dff2的输入端d和dff3的输入端clk；dff3的输入端clk接dff2的输入端d和dff2的输出端qb；dff3的输入端d接dff3的输出端qb；dff3的输出端q、qb分别接or2的输入端和dff3的输入端d；延时单元delay1的输入端分别接inv1的输出端和延时控制电压vp；延时单元delay1的输出端接inv2的输入端；延时单元delay2的输入端分别接and2的输出端和延时控制电压vp；延时单元delay2的输出端接inv4的输入端；inv1的输入端接dff1的输出端q和and1的输入端；inv1的输出端接延时单元delay1的输入端；inv2的输入端接延时单元delay1的输出端；inv2的输出端接and1的输入端；inv3的输入端接and1的输出端win；inv3的输出端接and3的输入端；inv4的输入端接延时单元delay2的输出端；inv4的输出端接and3的输入端；and1的两个输入端分别接dff1的输出端q、inv1的输入端和inv2的输出端；and1的输出端接inv3的输入端；and2的输入端分别接or1和or2的输出端；and2的输出端接延时单元delay2的输入端；and3的输入端分别接inv3和inv4的输出端；and3的输出端输出光子检测符合信号timing；and4的输入端分别接inv4的输出端和外部复位信号r；and4的输出端接and5的输入端；and5的输入端分别接and4的输出端和外部复位信号r；and5的输出端接dff1、dff2和dff3的复位端r；or1的输入端分别接阈值控制信号p1和dff2的输出端q；or1输出端接and2的输入端；or2的输入端分别接阈值控制信号p2和dff3的输出端q；or2的输出端接and2的输入端；or3的输入端分别接光子事件检测电路的输入端i1和i2；or3的输出端接or5的输入端；or4的输入端分别接光子事件检测电路的输入端i3和i4；or4的输出端接or5的输入端；or5的输入端分别接or3和or4的输出端；or5的输出端接dff1和dff2的clk端。

5、作为本发明所述具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器的一种优选方案，其中：所述的地址编码电路包括四个d触发器、两个与门、一个三输入或门、两个pmos管和四个nmos管。四个d触发器分别记为dff4、dff5、dff6、dff7；两个与门分别记为and6和and7；一个三输入或门记为or6；两个pmos管分别记为pm1和pm2；四个nmos管分别记为nm1、nm2、nm3、nm4。dff4的输入端d、clk、r分别接地址编码电路输入端t1、窗口信号inwin和and7的输出端rout；dff4的输出端接nm1的栅极；dff5的输入端d、clk、r分别接地址编码电路输入端t2、窗口信号inwin和and7的输出端rout；dff5的输出端接nm2的栅极；dff6的输入端d、clk、r分别接地址编码电路输入端t3、窗口信号inwin和and7的输出端rout；dff6的输出端接nm3的栅极；dff7的输入端d、clk、r分别接地址编码电路输入端t4、窗口信号inwin和and7的输出端rout；dff7的输出端接nm4的栅极；and6的输入端分别接pm1和pm2的漏极；or6为三输入或门，其三个输入端分别接and6的输出端、地址编码电路的输入端int和地址编码电路的输入端inwin；or6的输出端接and7的一个输入端，and7的另一个输入端接外部低有效复位信号r；and7的输出端rout接dff4、dff5、dff6和dff7的复位端r；pm1的栅极和源极分别接地vss和电源vdd；pm1的漏极接nm2和nm3的漏极以及and6的输入端addr1；pm2的栅极和源极分别接地vss和电源vdd；pm2的漏极接nm1和nm4的漏极以及and6的输入端addr0；nm1的栅极、源极、漏极分别接dff4的输出端q、地vss和pm2的漏极；nm2的栅极、源极、漏极分别接dff5的输出端q、地vss和pm1的漏极；nm3的栅极、源极、漏极分别接dff6的输出端q、地vss和pm1的漏极；nm4的栅极、源极、漏极分别接dff7的输出端q、地vss和pm1的漏极。

6、本发明为进一步解决当前光子事件检测中存在的牺牲空间分辨率和存在随机误差的问题，提出了一种具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器，其包括：检测到淬灭电路输出的光子信号后产生检测窗口win并锁存spad触发状态；判断光子数是否符合阈值；对所有电路进行复位；

7、作为本发明所述的具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器的一种优选方案，其中所述对检测到淬灭电路输出的光子信号后产生检测窗口win并锁存spad触发状态包括：本发明中的d触发器均采用低电平复位，电路每次上电后需要在输入端r输入一段低电平脉冲，使所有d触发器复位，复位后d触发器输出端q和qb分别输出低电平和高电平。完成复位之后电路各结点电平状态不会改变，直到光子信号到来。四路光子淬灭信号s1~s4分别输入至光子事件检测电路的i1~i4端，同时输入至地址编码电路的t1~t4端。当i1~i4中任一路产生光子信号后，or5的输出端会产生与光子信号相同脉冲宽度的高电平信号ck，信号ck会触发dff1，由于dff1输入端d接电源vdd，所以dff1的q端会输出高电平，使and1输出高电平信号，从而光子事件检测电路的输出端win就由低电平变为高电平；光子事件检测电路的输出端win与地址编码电路的输入端inwin连接，当win变为高电平的时候，inwin也会变为高电平，从而使dff4~7锁存t1~t4的状态，t1~t4的状态被保存为spad1~4。spad1~4连接到nm1~4的栅极。当nm1或nm4的栅极变为高电平时，对应nmos管导通，使地址低位addr0由高电平变为低电平；当nm2或nm3的栅极变为高电平时，对应nmos管导通，使地址高位addr1由高电平变为低电平。addr1和addr0的初始态为“11”，在检测窗口产生后，其电平状态由被锁存的spad触发状态决定，用于表征触发spad对应的地址编码响应。

8、作为本发明所述的具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器的一种优选方案，其中所述判断光子数是否符合阈值包括：dff2和dff3组成一个两位计数器，dff2和dff3的输出端q分别为两位计数器的低位和高位，随着光子个数的增加，计数器的输出状态依次为“00”、“01”、“10”和“11”。计数器的低位和高位分别接入or1和or2的输入端，or1和or2的另一个输入端接p1和p2。p1和p2为外界设置的光子阈值，当光子事件检测电路接收光子数量达到设置光子阈值时，timing会变为高电平，否则保持低电平。p1和p2可以被设置为“00”、“01”、“10”和“11”。

9、若记dff2的输出端q为计数器低位q0，dff3的输出端q为计数器高位q1，则or1的输出为p1与q0的逻辑或，or2的输出为p2与q1的逻辑或，and2的输出满足如下逻辑关系：and2=(p1或q0)与(p2或q1)。因此，当p1p2设置为“00”时，只有计数器状态为“11”时，and2输出高电平；当p1p2设置为“01”时，只要计数器低位q0为高电平，and2输出高电平；当p1p2设置为“10”时，只要计数器高位q1为高电平，and2输出高电平；当p1p2设置为“11”时，and2保持高电平。当and2输出高电平，且检测窗口win结束后，timing输出高电平，表示窗口内光子事件满足预设检测条件。

10、作为本发明所述的具有地址编码功能的事件检测型单光子探测器的一种优选方案，其中所述对所有电路进行复位包括：在接收到光子后，光子事件检测电路中的dff1输出端q会输出高电平，使延时单元delay1的输入端变为低电平。在延时一段时间之后，延时单元delay1输出高电平，使inv2的输出电压变为低电平。为便于说明，将inv2的输出节点记为inr，其中延时时间由延时控制电压vp决定。当inr变为低电平后，会使and1的输出win变为低电平，并通过and5使outr变为低电平。低电平outr会将dff1、dff2和dff3复位，从而所有d触发器输出端q重新变为低电平，该低电平经过延时单元delay1后重新使inr变为高电平。

11、在地址锁存电路中，addr0和addr1的初始态为“11”，当接收到光子之后addr0和addr1中如果出现了状态“0”，会使得and6输出低电平。or6等待int和inwin都变为低电平之后才会输出低电平，该低电平导致rout变为低电平，从而对dff4~7进行复位。

12、有益效果：

13、1、本发明能够提高采用宏像素单元的阵列激光雷达探测器的空间分辨率并减少测量误差。传统的光子事件检测电路存在两个问题，首先，当光子数达到阈值时，立即输出符合检测信号timing，因此timing信号和第一个到达的光子信号之间的时间就是随机的，该段时间就会成为激光测距中的随机误差。其次，传统应用于宏像素单元的光子事件检测电路以牺牲空间分辨率为代价完成光子事件检测，因此无法输出宏像素单元中单个像素的地址。

14、2、本发明能够很好地解决上述传统的光子事件检测电路存在两个问题，本发明的timing信号在窗口信号win结束后才会变为高电平，因此timing信号和第一个到达的光子信号之间的时间就被固定为一个检测窗口的时间。其次本发明通过地址编码电路锁存触发检测窗口win的spad状态，并输出相应的地址编码响应，使宏像素单元内部的触发位置能够被进一步区分，从而提高激光测距器的空间分辨能力。

15、3、本发明单光子探测器在带地址编码功能的光子事件检测电路中能够保证分辨率的同时，又能够保证获取回波光子的精确性。