BE1029775B9

BE1029775B9 - Persistentiefiltering bij spd arrays

Info

Publication number: BE1029775B9
Application number: BE20215744A
Authority: BE
Inventors: André Bernard Miodezky; Johannes Willem Peeters; Christian Mourad; Der Tempel Ward Van
Original assignee: Voxelsensors Srl
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2021-09-21
Publication date: 2023-10-09
Also published as: WO2023047245A1; CN117916563A; EP4241051A1; KR20240063146A; BE1029775A9; BE1029775A1; BE1029775B1

Abstract

De huidige uitvinding betreft een systeem, detectorelement en werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming met SPD arrays, en een kalibratieroutine voor SPD arrays.

Description

t BE2021/5744

PERSISTENTIEFILTERING BIJ SPD ARRAYS

TECHNISCH DOMEIN

De uitvinding heeft betrekking op een verbeterde werkwijze en systeem voor hogesnelheidsbeeldvorming aan de hand van single-photon detectoren (SPD), waarbij valse positieven uit de resultaten gefilterd worden.

STAND DER TECHNIEK

In de stand der techniek wordt bij scanning active imaging een lichtstraal, typisch een laser, bewogen over een te capteren gebied, en wordt per tijdstip de locatie waar de straal invalt, vastgelegd via meerdere beeldsensoren. Door de verschillen in locatie vanuit de verschillende standpunten (sensoren) te verwerken, kan de effectieve afstand tot het beschenen doelwit bepaald worden, via triangulatie. Een dergelijke meting legt een voxel vast. De snelheid waarmee dit procedé kan uitgevoerd worden, de voxelrate, wordt enerzijds begrensd door enerzijds de snelheid waarmee het scannen met de lichtstraal gebeurt, maar anderzijds ook (het sterkst) beperkt door de verwerkingstijd die nodig is door de sensoren om de gereflecteerde lichtstralen te detecteren, zeker ten opzichte van achtergrondstraling (ambient light) en algemene thermische noise. Door specifiek deze tweede issue aan te pakken, kan de beeldvorming gevoelig versneld worden.

De hogesnelheidsbeeldvormingssystemen in de stand der techniek hebben aldus te kampen met een aantal vereisten en problemen. Een eerste daarvan is de accuratesse waarmee invallende fotonen gedetecteerd worden. Steeds hogere eisen worden gesteld qua spatiale resolutie, wat er toe leidt dat de sensor arrays steeds meer afzonderlijke detectoren (pixels) hebben. Dit zorgt er voor dat een verhoogde rekenkracht nodig is om al deze detectoren uit te lezen en de uitgangssignalen te verwerken tot een beeld.

Doordat de afzonderlijke pixels steeds kleiner (moeten) worden, moet ook de lichtgevoeligheid stijgen, gezien ze een beperkte spatiale window hebben om fotonen te vangen. Daarnaast moet ook een zekere verwerkingssnelheid behaald kunnen worden.

Om een voxelrate van tientallen of zelfs honderden miljoenen voxels per second te kunnen bereiken, moet iedere voxel vastgelegd worden in een tijdspanne van maximaal 10 ns. Hierdoor moet de sensor ook geschikt zijn om met beperkte fotonbudgetten (i.e. gedetecteerde invallende fotonen op de sensor die voldoende zijn voor een detectie) te kunnen opereren, zoals bijvoorbeeld 10 fotonen. Gezien de beperkte tijdspanne voor de verwerking, zal slechts een beperkt aantal fotonen kunnen opgevangen worden.

° BE2021/5744

Om die reden wordt dan ook vaak gekeken naar zeer gevoelige detectoren, zoals SPDs of SPADs (single photon - avalanche - detectoren).

Deze hebben echter het inherente nadeel dat de verhoogde lichtgevoeligheid er ook voor zorgt dat ongewenste excitaties optreden, zowel door ambient light als door thermische ruis. Op zich zijn zulke excitaties op detectorniveau moeilijk te onderscheiden van ‘echte’ detecties die voortvloeien uit het invallen van gereflecteerd licht dat bewust werd uitgezonden door het systeem om een scène te scannen.

Momenteel bestaan er geen systemen van sensorarchitectuur of werkwijzen die in staat zĳn om de gewenste detectiesnelheden te bereiken onder de voorgestelde karakteristieken zoals fotonbudget en tegelijk te verzekeren dat een minimaal aantal valse positieven gedetecteerd worden.

De huidige uitvinding beoogt een oplossing te vinden voor tenminste enkele van bovenvermelde problemen.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De uitvinding betreft een verbeterde werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens conclusie 1.

Waar bestaande SPD, en in het bijzonder SPAD, arrays te kampen hebben met een zeer groot aantal valse positieven, door onder meer thermische noise en omgevingslicht, is het oogpunt van deze uitvinding het wegfilteren van deze random valse detectiesignalen. Bij bestaande systemen zorgt inval van elk foton op een SPD of SPAD voor een detectiesignaal, gezien deze componenten specifiek ontworpen zijn om ook bij lage fotondichtheden de inval hiervan te kunnen registreren, wat de snelheid en resolutie ten goede komt. De kleinere SPD/SPAD oppervlakte laat meer SPD/SPAD toe per oppervlakte en dus hogere resolutie, maar verlaagt dus ook kans op inval van foton, waardoor de gevoeligheid van de componenten hoger moet liggen, en dus onmiddellijk triggeren. Valse positieven zijn hierdoor onvermijdelijk in de meeste systemen, en de huidige uitvinding beoogt deze valse positieven te herkennen en weg te filteren uit de resultaten, en enkel de ‘echte’ fotoninvallen (afkomstig van een actieve belichting van een object of scène door een lichtbron van het systeem) te confirmeren.

Voorkeurdragende uitvoeringsvormen worden beschreven in de daaropvolgende conclusies.

3 BE2021/5744

In een tweede aspect betreft de uitvinding een detectorelement en een een sensorsysteem voor hogesnelheidsbeeldvorming, bij voorkeur geschikt voor het uitvoeren van de werkwijze volgens het eerste aspect, zoals beschreven in conclusies 12, en 13 en 14.

BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Figuren 1A-C en 2A-C tonen het tijdsverloop van de belichtingspatronen (Figuur 1A en 2A), de detecties van fotoninvallen met een actief belichtingssignaal (Figuur 1B en 2B) en de detecties van fotoninvallen zonder een actief belichtingssignaal (Figuur 1C en 2C).

Figuur 3 toont een schakeling om een eerste persistentievoorwaarde volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding op te leggen.

Figuur 4 toont een schakeling om een tweede persistentievoorwaarde volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding op te leggen.

Figuur 5 toont een schakeling om een derde persistentievoorwaarde volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding op te leggen.

Figuur 6 toont een schakeling om een derde persistentievoorwaarde volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding op te leggen, gekoppeld met een kalibratieschakeling.

Figuur 7 toont een schakeling om een derde persistentievoorwaarde volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding op te leggen, gekoppeld met een kalibratieschakeling en lokale coïncidentieschakelingen.

Figuur SA toont een eerste kalibratieschakeling volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Figuur 8B toont een schakeling om een persistentievoorwaarde volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding op te leggen, gekoppeld met de kalibratieschakeling volgens Figuur 8A.

Figuur 9A toont een tweede kalibratieschakeling volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

+ BE2021/5744

Figuur 9B toont een schakeling om een persistentievoorwaarde volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding op te leggen, gekoppeld met de kalibratieschakeling volgens Figuur SA en de kalibratieschakeling van Figuur 8A.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING

Tenzij anders gedefinieerd hebben alle termen die gebruikt worden in de beschrijving van de uitvinding, ook technische en wetenschappelijke termen, de betekenis zoals ze algemeen begrepen worden door de vakman in het technisch veld van de uitvinding.

Voor een betere beoordeling van de beschrijving van de uitvinding, worden de volgende termen expliciet uitgelegd. “Een”, “de” en “het” refereren in dit document aan zowel het enkelvoud als het meervoud tenzij de context duidelijk anders veronderstelt. Bijvoorbeeld, “een segment” betekent een of meer dan een segment.

Wanneer “ongeveer” of “rond” in dit document gebruikt wordt bij een meetbare grootheid, een parameter, een tijdsduur of moment, en dergelijke, dan worden variaties bedoeld van +/-20% of minder, bij voorkeur +/-10% of minder, meer bij voorkeur +/- 5% of minder, nog meer bij voorkeur +/-1% of minder, en zelfs nog meer bij voorkeur +/-0.1% of minder dan en van de geciteerde waarde, voor zoverre zulke variaties van toepassing zijn in de beschreven uitvinding. Hier moet echter wel onder verstaan worden dat de waarde van de grootheid waarbij de term “ongeveer” of “rond” gebruikt wordt, zelf specifiek wordt bekendgemaakt.

De termen “omvatten”, “omvattende”, “bestaan uit”, “bestaande uit”, “voorzien van”, “bevatten”, “bevattende”, “behelzen”, “behelzende”, “inhouden”, “inhoudende” zijn synoniemen en zijn inclusieve of open termen die de aanwezigheid van wat volgt aanduiden, en die de aanwezigheid niet uitsluiten of beletten van andere componenten, kenmerken, elementen, leden, stappen, gekend uit of beschreven in de stand der techniek.

De term “pixel” verwijst hier naar een lichtgevoelige eenheid of detector, in de vorm van een SPD of SPAD bij voorkeur. Typisch worden deze pixels als een matrix voorzien in een array.

> BE2021/5744

De term “macropixel” verwijst hierbij naar een virtuele pixel die meerdere pixels of detectoren omvat, die typisch een aaneensluitende cluster vormen. Deze macropixel kan geassocieerd aan een bepaalde set spatiotemporele voorwaarden zijn, en variëren naargelang de omstandigheden qua grootte, vorm en andere parameters. Macropixels kunnen gedeeltelijk overlappen met elkaar, en pixels of detectoren gemeenschappelijk hebben. Een macropixel heeft bij voorkeur een vierkante of rechthoekige vorm, maar kan evenzeer benaderend cirkelvormig of ovaal zijn, driehoekig, kruis- of stervormig, of andere vormen hebben. Een macropixel omvat minstens 2 detectoren (bvb. in 2 x 1 of 1 x 2 matrixvorm), en bij verdere voorkeur minstens 4 detectoren (bvb. 2 x 2).

Het citeren van numerieke intervallen door de eindpunten omvat alle gehele getallen, breuken en/of reële getallen tussen de eindpunten, deze eindpunten inbegrepen.

De uitvinding betreft in een eerste aspect een werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming aan de hand van een array omvattende een veelheid single photon detectoren (SPD), bij voorkeur single photon avalanche detectoren (SPAD), omvattende volgende stappen: a. het opvangen van fotonen op de SPDs, waarbij de SPDs een detectiesignaal C_ov genereren en voorzien aan een evaluatiecircuit, waarbij het detectiesignaal een positieve observatiestatus beschrijft bij het plaatsvinden van een observatie door de SPD van een te detecteren elektromagnetische straling, en een negatieve observatiestatus beschrijft bij afwezigheid van de observatie door de SPD; b. het door het evaluatiecircuit per SPD evalueren van de detectiesignalen van de

SPD, waarbij aan een persistentievoorwaarde moet voldaan worden door de detectiesignalen per SPD om een confirmatiesignaal te genereren voor de SPD van de te detecteren elektromagnetische straling;

Hierbij vereist de persistentievoorwaarde voor minstens één, en bij voorkeur elke, SPD een positieve observatiestatus voor de SPD in minstens M, bij voorkeur opeenvolgende, observatievensters, bij voorkeur met periode T, over de voorbije N observatievensters, met M groter dan 1 en ten hoogste gelijk aan N.

Door in de voorbije N observatievensters te gaan kijken naar de observatiestatus, kan geverifieerd worden of een positieve observatiestatus persistent is, en dus bevestigd wordt door eerdere metingen. Zo worden valse positieven door thermal noise en dergelijke, gefilterd uit de resultaten. Slechts indien een bepaald aantal of bepaald percentage van de voorbije N observatievensters ook een positieve observatiestatus geeft, wordt de detectie bevestigd aan de hand van een confirmatiesignaal. Deze evaluatie kan lokaal, per pixel of SPD/SPAD, gebeuren of gecentraliseerd waar dit

Het dient begrepen te worden dat de persistentievoorwaarde van M (al of niet opeenvolgende) van de N observatievensters ook op alternatieve manieren kan toegepast worden, onder meer met een percentage M/N van de voorbije N observatievensters (opnieuw, met al of niet voorwaarde dat deze M opeenvolgend zijn, waarbij M dan typisch gelijk is aan N).

Het spreekt voor zich dat meer specifieke persistentievoorwaarden kunnen toegepast worden naargelang wens (bvb. minstens M van de voorbije N met positieve observatiestatus en daarin minstens P opeenvolgende positieve observatiestatussen; maximaal Q opeenvolgende niet-positieve observatiestatussen; minstens 2, 3, … clusters van P opeenvolgende positieve observatiestatussen; etc.). Combinaties en variaties hiervan behoren vanzelfsprekend ook tot de uitvinding.

Met de hierboven beschreven werkwijze kan ‘actieve’ straling consequent gedetecteerd worden, doordat deze typisch over een bepaalde tijdsperiode uitgestrekt in een bepaalde zone invalt, en zo voldoet aan de persistentievoorwaarde, in tegenstelling tot thermal noise en andere ongewenste detecties.

In een eerste voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvat de werkwijze het scannend belichten van een scène (hetgeen waarvan een beeld gevormd moet worden: voorwerp, omgeving, etc.) met behulp van één of meerdere lichtbronnen (laser, LED, etc.) aan de hand van een voorafbepaald belichtingspatroon. Dit belichtingspatroon omvat temporeel gescheiden lichtpulsen (al of niet met constante lengte en/of tussentijd).

De observatievensters aan de hand waarvan de persistentievoorwaarde wordt opgelegd, zijn temporeel geassocieerd aan één van de lichtpulsen, en het detectiesignaal geeft daarbij het al of niet plaatsvinden van een observatie door de SPD weer (positieve observatiestatus of niet).

Het temporeel associëren van de observatievensters aan de lichtpulsen is het zodanig timen van de observatievenster (qua begin- en/of eindtijd) dat deze grotendeels overlappen, waardoor de geobserveerde straling in de observatievensters met zeer grote waarschijnlijkheid te linken valt aan de lichtpulsen (en dus niet aan thermal noise of andere ruissignalen).

De aanvrager merkt op dat een evenwicht dient gevonden te worden dus aantal lichtpulsen in het belichtingspatroon (en de pulslengte en de tijd tussen de pulsen), en de gewenste snelheid waarmee het systeem kan werken. Meer pulsen/langere

7 BE2021/5744 pulsen/langere tussentijden betekent dat het evalueren van de signalen op een SPD uit elke discrete positie langer duurt. Om die reden wordt N typisch ingesteld tussen 2 en 10, bij voorkeur tussen 2 en 7, bij verdere voorkeur tussen 2 en 5, zoals 2, 3, 4 of 5.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de observatievensters ingesteld om grotendeels te overlappen met de lichtpulsen waarin ze geassocieerd zijn (i.e. de tijdsperiode van de lichtpulsen grotendeels af te dekken, maar hier niet noodzakelijk toe beperkt), met begintijden die substantieel samenvallen (en waarbij de begintijd van de observatievensters ten vroegste simultaan is met die van de lichtpulsen).

Substantieel samenvallen houdt in dat de begintijd van het observatievenster tussen 0.0 ns en 1.0 ns na de begintijd van de lichtpuls ligt, bij voorkeur ten hoogste 0.5 ns, en bij nog hogere voorkeur ten hoogste 0.1 ns of zelfs 0.05 ns ligt.

Hierdoor wordt verzekerd dat (quasi) alle straling die invalt tijdens het observatievenster afkomstig zijn van events uit de tijdsperiode van de lichtpuls. De begintijd laat enige speling toe die time-of-flight incalculeert.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de detectoren voorzien van een quenching circuit. Bij verdere voorkeur is dit een passive quenching circuit. Alternatief is dit een active quenching circuit.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de observatievensters ingesteld met een eindtijd dewelke tussen 0.0 ns en 25.0 ns na de eindtijd van de geassocieerd lichtpuls ligt, bij voorkeur tussen 0.05 ns en 15.0 ns, bij verdere voorkeur tussen 0.1 ns en 10.0 ns, na de eindtijd van de geassocieerd lichtpuls. Zoals hierboven uitgelegd, verzekert een dergelijke timing dat de straling afkomstig uit events tijdens de tijdsperiode van de lichtpuls, opgevangen worden in het observatievenster, rekening houdende met time- of-flight.

Door de bovenstaande restricties van begin- en eindtijd tegelijkertijd toe te passen, wordt het aantal fotonen niet veroorzaakt door de lichtpuls en opgevangen tijdens het observatievenster, zo veel mogelijk gereduceerd.

In een tweede alternatieve voorkeurdragende uitvoeringsvorm, omvat de werkwijze een stap van het scannend belichten met één of meerdere lichtbronnen van een scène, waarbij de lichtbronnen de scène substantieel continu belichten. Dit betekent dat de lichtbron continu en met een substantieel constante intensiteit belicht. In dit geval kunnen de observatievensters meer arbitrair gekozen worden, en eventueel zelfs aansluitend.

De lichtbronnen worden gebruikt om een actief en gecontroleerd lichtsignaal uit te sturen, en hiermee een scène/object te belichten waarvan een beeld gevormd zal worden. De SPDs vangen gereflecteerde fotonen op en registreren deze inval aan de 5 hand van een detectiesignaal naar een verdere component, om zo een beeld te vormen van de belichte scène/object.

De werkwijze omvat aldus het belichten van een scène of object met de lichtbron(nen), waarbij de lichtbron dit belichten in discrete of quasi-discrete stappen doet, en telkens per discrete of quasi-discrete positie die belicht wordt, even deze blijft belichten vooraleer naar een volgende discrete positie te gaan. De term “discrete positie” verwijst hierin in feite naar een discrete oriëntatie van de lichtbron, wat neerkomt op een bepaalde discrete positie die belicht wordt. De ‘route’ van discrete posities die gevolgd wordt tijdens het belichten, kan randomized zijn, maar volgt typisch een scanning patroon, lijn per liĳn of kolom per kolom. Het dient opgemerkt te worden dat de uitvinding echter geenszins beperkt is op dit vlak. “Quasi-discreet” verwijst hierbij naar situaties waarin de lichtbron zijn oriëntatie blijft variëren, maar aan een snelheid zodanig dat de afgelegde afstand van belichte zones bij (2 of meer) opeenvolgende observatievensters zeer beperkt is, en kan beschouwd worden als dezelfde discrete zone. In wat volgt dient “discreet” dan ook geïnterpreteerd te worden als omvattende quasi-discreet.

Bij voorkeur zijn M en/of N instelbaar, en bij verdere voorkeur zelfs instelbaar per SPD.

In bepaalde uitvoeringsvormen kunnen deze dynamisch ingesteld worden, zodat het systeem deze automatisch aanpast bij detectie van veel of weinig ruisdetecties (detectiesignalen waarbij de persistentievoorwaarde niet voldaan is) voor een SPD. Zo kan de persistentievoorwaarde versoepeld worden bij SPDs waar statistisch weinig ruis waargenomen wordt, en verstrengd waar statistisch meer ruis is waargenomen, om zo sneller en accurater te kunnen opereren.

Het afzonderlijk aanpasbaar maken van M en/of N kan dus gebruikt worden om bepaalde

SPDs gevoeliger of minder gevoelig te maken, zoals bijvoorbeeld bij detectie van veel detectievensters met detectiesignalen zonder actief licht, wat kan wijzen op een ‘leaky pixel’. Deze kunnen zelfs volledig uitgeschakeld worden indien nodig.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm worden M en/of N automatisch aangepast op basis van een kalibratieroutine.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm wordt de persistentievoorwaarde gecombineerd met het voldoen aan een coïncidentievoorwaarde. Deze bouwt verder op de assumptie dat bij observaties door de SPD, de inval van een foton op een bepaalde

? BE2021/5744

SPD niet enkelvoudig is, maar gepaard gaat met een de inval van een bundel fotonen die ruimtelijk geclusterd zijn. Op basis hiervan wordt de coïncidentievoorwaarde opgelegd die in een bepaalde tijdsperiode rond een positieve observatiestatus of een confirmatiesignaal van een SPD de observatiestatus of confirmatiesignalen van naburige

SPDs nagaat.

De coïncidentievoorwaarde kan voorafgaand of volgend op de persistentievoorwaarde opgelegd worden, en is afhankelijk van de schakeling in de ene of andere manier efficiënter.

Zo kan voor een eerste SPD die aan de persistentievoorwaarde voldoet, de coïncidentievoorwaarde vervolgens opgelegd worden, en pas na het voldoen daaraan een confirmatiesignaal gegenereerd worden. De coïncidentievoorwaarde houdt bij voorkeur in dat minstens één aanpalende SPD (aan de eerste SPD) ook aan de persistentievoorwaarde voldoet. Dit kan vanzelfsprekend vernauwd worden tot minstens 2, 3, 4, etc. van de aanpalende SPDs die aan de persistentievoorwaarde moeten voldoen.

De term “aanpalende SPD” slaat in eerste instantie op de direct aanpalende SPDs. De

SPDs worden typisch voorzien in een rechthoekige array van rijen en kolommen, wat betekent dat de aanpalende SPDs in eenzelfde rij en naburige kolom of eenzelfde kolom en naburige rij gesitueerd zijn. De term kan echter eenvoudig uitgebreid worden om bijvoorbeeld diagonaal aanpalende SPDs (naburige rij en naburige kolom) te omvatten, of zelfs nog wijder, zodat ook ‘overburen’ omvat zijn hierin.

De coïncidentievoorwaarde kan op een aantal manieren opgelegd worden en met variabele voorwaarden. Zo kan het aantal aanpalende SPDs die voldoen aan de persistentievoorwaarde aangepast worden (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 of meer), maar kan ook de definitie van “aanpalend” aangepast worden. Zo kan aanpalend in een voorkeurdragende uitvoeringsvorm als “direct aanpalend” geïnterpreteerd worden, maar kunnen ook “diagonaal aanpalende” SPD's aanvaard worden (direct aanpalend aan een eerste direct aanpalende SPD in een andere dimensie dan de eerste SPD direct aanpalend is), en kan dit ook gedefinieerd worden als liggende binnen een voorafbepaald interval van de originele SPD (en zo ook overburen toelaten). Opnieuw kan hierin gevarieerd worden afhankelijk van de omstandigheden, en kan het systeem dit zelfs dynamisch aanpassen (bijvoorbeeld via een kalibratieroutine).

Door eerst de persistentievoorwaarde op te leggen, wordt een eerste filtering toegepast, waarna de coïncidentievoorwaarde enkel moet toegepast worden op de resterende detecties die geconfirmeerd zijn volgens de persistentievoorwaarde. Deze volgorde zorgt ervoor dat de computationeel meest uitdagende voorwaarde (coïncidentievoorwaarde, gezien deze de signalen van een aantal aanpalende SPDs moet in rekening brengen) op een lager aantal signalen moet toegepast worden.

19 BE2021/5744

De eerste wijze betekent dat aanpalende SPDs bij een eerste SPD met positie (i,J) eenvoudig gedefinieerd worden als hebbende coördinaten (ij£1}) of (iz1,j). Om diagonaal aanpalende SPDs toe te voegen, worden ook SPDs met coördinaten (it1,j+1) aanvaard.

Indien gewenst, kan de reikwijdte van “aanpalende SPDs” dus ook uitgebreid worden met SPDs met coördinaten (i=2,j#1), (it1,j42), (i=2,j), (ij+2), opnieuw eventueel aangevuld met (it2,j+2).

Het spreekt voor zich dat verdere uitbreidingen tot de mogelijkheden horen, en impliciet als deel van de uitvinding beschouwd worden.

Zo kan de coïncidentievoorwaarde op basis van de definitie van aanpalende SPDs ook aangepast worden, waarbij elke SPD op basis van de ‘afstand’ in het rooster tot de eerste SPD een gewicht krijgt. Slechts bij bereiken van een bepaald gewicht aan SPDs waarvoor de persistentievoorwaarde voldaan is, wordt de coïncidentievoorwaarde voor de eerste SPD als voldaan beschouwd.

Omgekeerd kan eerst de coïncidentievoorwaarde opgelegd worden voor een SPD (zoals hierboven beschreven, maar per observatievenster op basis van een positieve observatiestatus in dat observatievenster in plaats van het voldoen aan persistentievoorwaarde), en slechts voor de SPDs waar voldaan wordt aan de coïncidentievoorwaarde, wordt vervolgens het voldoen aan de persistentievoorwaarde gecheckt.

In een tweede aspect betreft de uitvinding een detectorelement omvattende: een single photon detector (SPD), bij voorkeur een single photon avalanche detector (SPAD), geconfigureerd om een signaal C_ov te genereren dat een status van het al of niet plaatsvinden van een observatie door de SPD van de te detecteren elektromagnetische straling (fotonen) voor opeenvolgende observatievensters beschrijft; een geheugen- element dat de status van de SPD aan het eind van minstens N vorige observatievensters onthoudt, met N een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1; een logische schakeling geconfigureerd om een confirmatiesignaal te genereren indien het signaal van de SPD aan het einde van een huidig observatievenster en van minstens M van de N vorige observatievensters een observatie door de SPD aangeeft, met M een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1 en hoogstens gelijk aan N.

In dergelijk geval is het mogelijk om de detectorelementen afzonderlijk de persistentievoorwaarde te laten opleggen aan de eigen waarnemingen, en slechts een confirmatiesignaal te genereren en te bezorgen aan een centrale verwerkingseenheid indien daaraan voldaan is. Voorbeelden van mogelijke uitvoeringen hiervan worden verder in de tekst en figuren besproken.

+ BE2021/5744

Alternatief wordt de persistentievoorwaarde gecentraliseerd uitgevoerd om de detectorelementen eenvoudiger te houden.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de opeenvolgende lichtpulsen minstens 0.5 ns gescheiden, bij voorkeur minstens 1.0 ns, bij verdere voorkeur minstens 2.5 ns, bij nog verdere voorkeur minstens 5.0 ns.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm zijn de opeenvolgende lichtpulsen hoogstens 1000 ns gescheiden, bij voorkeur hoogstens 500 ns, bij verdere voorkeur hoogstens 100 ns, en bij nog verdere voorkeur hoogstens 50 ns.

Bij hoogste voorkeur worden bovenstaande minimale en maximale waarden gecombineerd tot een overeenkomstige range.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm hebben de lengte van de lichtpulsen van het voorafbepaalde belichtingspatroon en de lengte van de geassocieerde observatievensters een verhouding gelegen tussen 1.0 en 2.0, bij voorkeur tussen 1.0 en 1.5 en bij nog verdere voorkeur tussen 1.0 en 1.25. Op deze manier wordt gegarandeerd dat zoveel mogelijk signalen veroorzaakt door de lichtpulsen opgevangen worden in het observatievenster, zonder dit nodeloos lang te maken (waardoor de methode trager zou doorlopen worden).

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm worden de observatiestatussen van de voorbije N vensters bijgehouden door geheugenelementen op de SPAD of op een centrale verwerkingseenheid (die voor meerdere, of zelfs alle SPADs van de array de persistentievoorwaarde oplegt), waarbij ‘verouderde’ observatiestatussen (meer dan N vensters geleden) worden overschreven door nieuwere. Dergelijke geheugenelementen kunnen onder meer flipflops zijn, DRAM (dynamische RAM), SRAM (statische RAM), analoge geheugenelementen of andere componenten.

Door deze observatiestatussen aan een geschikte logische schakeling (bvb. gemodificeerde AND-poort) te koppelen, kan eenvoudig worden verzekerd dat de gewenste verwerking van de signalen bereikt wordt en een confirmatie pas volgt bij het voldoen aan de persistentievoorwaarde.

Voorafgaand aan de logische schakeling (en geheugenelementen), wordt bij voorkeur een bufferelement voorzien, om de werking van SPAD en de verwerking van de signalen te isoleren van elkaar.

In bepaalde uitvoeringsvormen, bijvoorbeeld als N slechts 2 bedraagt, kan er een zogenaamd delay circuit voorzien zijn dat het signaal uit een vorig observatievenster meeneemt en voedt aan een logische schakeling, zoals een eenvoudige AND-poort, samen met het signaal van een huidig observatievenster. Gezien de observatievensters

12 BE2021/5744 typisch op vaste tijdsintervallen komen, kan een dergelijke schakeling eenvoudig uitgevoerd worden, zonder nood aan veel bijkomende componenten. Daarenboven kan de persistentievoorwaarde lokaal op de SPAD zelf toegepast worden, zodat enkel het (al of niet) confirmatiesignaal naar een verdere verwerkingseenheid voorzien wordt.

Een aantal mogelijke schakelingen zijn hiervoor getoond in de Figuren, al of niet in combinatie met verdere aanpassingen en verbeteringen.

In een derde aspect betreft de uitvinding een sensorsysteem voor hogesnelheidsbeeldvorming, omvattende een matrix/array van detectorelementen volgens het tweede aspect van de uitvinding; en een schakeling voor het uitlezen van de detectorelementen in de matrix/array. Door de detectorelementen van een eigen evaluatiecircuit te voorzien, kan er een eenvoudig een deel van de computationele last gedecentraliseerd worden, en worden er enkel confirmatiesignalen naar de centrale uitleesschakeling gecommuniceerd.

Alternatief betreft de uitvinding in zijn derde aspect een sensorsysteem voor hogesnelheidsbeeldvorming, omvattende: a. Een matrix/array van detectorelementen, waarbij de detectorelementen een single photon detector (SPD) omvatten, bij voorkeur een single photon avalanche detector (SPAD), de SPD geconfigureerd om een signaal C_ov te genereren dat een status van het al of niet plaatsvinden van een observatie door de SPD van de te detecteren elektromagnetische straling voor opeenvolgende observatievensters beschrijft; b. een logische schakeling voor het uitlezen van de signalen C_ov van de detectorelementen in de matrix/array, genoemde logische schakeling voorzien van één of meer geheugenelementen;

Hierbij zijn de één of meer geheugenelementen geconfigureerd om per SPD de status van de SPD aan het eind van minstens N vorige observatievensters te onthouden, met

N een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1. De logische schakeling is geconfigureerd om voor een SPD een confirmatiesignaal te genereren indien het signaal van de SPD aan het einde van een huidig observatievenster en van minstens M van de

N vorige observatievensters van de SPD een observatie door de SPD aangeeft, met M een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1 en hoogstens gelijk aan N. Op deze manier worden de detectorelementen eenvoudig (en dus compacter, goedkoper, robuuster) gehouden en wordt de computationele last centraal gedragen.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is het sensorsysteem geconfigureerd voor het uitvoeren van een werkwijze volgens het eerste aspect van de uitvinding.

13 BE2021/5744

In een verder aspect betreft de uitvinding een werkwijze voor het kalibreren van beeldvormingssystemen omvattende een array die een veelheid single photon detectoren (SPD), bij voorkeur single photon avalanche detectoren (SPAD) omvat. De werkwijze betreft het door een evaluatiecircuit (met één evaluatiecircuit ofwel per SPD, per groep SPDs of voor het hele systeem) controleren van de observatiestatus/detectiesignalen over een kalibratietijdsperiode, in minstens twee, bij voorkeur minstens drie, kalibratievensters in de kalibratietijdsperiode. De kalibratievensters zijn bij voorkeur temporeel gescheiden van elkaar, en lopen gedurende periodes waarin de array van SPDs niet actief belicht wordt (i.e., bewust met door het systeem gecontroleerde lichtbronnen).

Het aantal kalibratievensters kan hoger ingesteld worden, en zo een grondigere en betrouwbaardere classificatie toelaten, bijvoorbeeld, 5, 6, 7, 8, 10 of meer kalibratievensters. De kalibratievensters kunnen aaneensluitend zijn of gescheiden van elkaar.

Aan de hand van het aantal kalibratievensters waarin een observatie door de SPD gedetecteerd wordt, worden de SPDs dan afzonderlijk geclassificeerd in een aantal categorieën. Het aantal classificaties of de manier van het classificeren kan ingesteld worden afhankelijk van de situatie. Zo kan er voor twee klasses gekozen worden (betrouwbaar - onbetrouwbaar), of meer dan twee klasses.

De classificatie geeft aan in welke mate een SPD gevoelig is aan ruis en dergelijke, en kan gebruikt worden bij de verwerking van verdere detectiesignalen voor beeldvorming.

In het bijzonder kan de kalibratiemethode toegepast worden in het licht van de uitvinding volgens de voorgaande aspecten (voorafgaand daaraan), en kan de verdere verwerking aangepast worden van signalen van SPDs aan de hand van de classificatie daarvan, en in het bijzonder kan de persistentievoorwaarde aangepast worden voor de

SPDs aan de hand van genoemde classificaties, zoals een verstrenging of versoepeling van deze voorwaarden (M hoger of lager, of zelfs het volledig uitschakelen van de persistentievoorwaarde, of M = 1), en/of het uitschakelen van bepaalde SPDs waar een te grote fout gedetecteerd wordt (bvb. screamers waar statistisch te frequent een positieve observatiestatus aangegeven wordt door de detectiesignalen).

De SPDs kunnen in een eerste uitvoeringsvorm in twee classificaties opgedeeld worden, hoge prioriteit (HP) en lage prioriteit (LP), wat de betrouwbaarheid aangeeft. HP SPDs worden als meer betrouwbaar beschouwd, en kunnen opereren onder soepelere persistentievoorwaarden en/of coïncidentievoorwaarden dan LP SPDs. In een niet- beperkend voorbeeld hebben LP SPDs een positieve observatiestatus in minstens T % van de kalibratievensters, waarbij T bij voorkeur minstens 50% is, bij verdere voorkeur minstens 66% of zelfs 75% is.

14 BE2021/5744

Aanvullend kunnen verdere classificaties voorzien worden (medium prioriteit of MP; hoog medium prioriteit, HMP; laag medium prioriteit LMP; etc.) naargelang gewenst, allen geassocieerd aan een afzonderlijke manier van verwerking tijdens de beeldvorming (strengere of soepelere persistentievoorwaarde) geassocieerd aan bepaalde bereiken van het percentage aan positieve observatiestatussen gedetecteerd in de kalibratievensters voor de SPD.

De aanpassing van de voorwaarden kan sterk gevarieerd worden, zoals eenvoudigweg

M telkens met 1 stijgend per rang dat de kalibratie daalt (dalend van HP naar LP), maar kan evengoed een verschillende aanpassing zijn voor elke rangverandering.

De aangepaste persistentie- en/of coïncidentievoorwaarden horend bij een bepaalde classificatie worden vooraf bepaald en de evaluatiecircuits zijn geconfigureerd om deze gepast uit te voeren.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm worden de observatiestatussen van de voorbije N kalibratievensters bijgehouden door geheugenelementen op de SPAD of op een centrale verwerkingseenheid (die voor meerdere, of zelfs alle SPADs van de array de persistentievoorwaarde oplegt), waarbij ‘verouderde’ observatiestatussen (meer dan

N vensters geleden) worden overschreven door nieuwere. Dergelijke geheugenelementen kunnen onder meer flipflops zijn, DRAM (dynamische RAM), SRAM (statische RAM), analoge geheugenelementen of andere componenten.

Door deze observatiestatussen aan een geschikte logische schakeling (bvb. gemodificeerde AND-poort) te koppelen, kan eenvoudig worden verzekerd dat de SPDs geclassificeerd worden zoals gewenst.

In bepaalde uitvoeringsvormen, bijvoorbeeld als N slechts 2 bedraagt, kan er een zogenaamd delay circuit voorzien zijn dat het signaal uit een vorig kalibratievenster meeneemt en voedt aan een logische schakeling, zoals een eenvoudige AND-poort, samen met het signaal van een huidig kalibratievenster. Gezien de kalibratievensters typisch op vaste tijdsintervallen komen, kan een dergelijke schakeling eenvoudig uitgevoerd worden, zonder nood aan veel bijkomende componenten. Daarenboven kan de kalibratie lokaal op de SPAD zelf toegepast worden.

Het bijhouden in elke pixel van status-informatie van vorige observatievenster is mogelijk met een grote verscheidenheid aan implementaties, bijvoorbeeld, maar niet gelimiteerd tot, door het gebruik van flipflops, maar ool geheugen-elementen zoals

SRAM en/of DRAM elementen, of eenvoudige al dan niet parasitaire condensatoren die een lading kunnen opslaan.

In wat volgt, wordt de uitvinding beschreven a.d.h.v. niet-limiterende voorbeelden die de uitvinding illustreren, en die niet bedoeld zijn of geïnterpreteerd mogen worden om de omvang van de uitvinding te limiteren. 5

VOORBEELDEN

Figuren 1A-C tonen de uitgestuurde en ontvangen signalen voor een mogelijke uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Figuur 1A geeft een tijdsverloop weer van de belichting door de lichtbronnen op een bepaalde SPD, waarbij een pulserend belichtingspatroon aangehouden wordt met blokgolven (1) met vaste lengte en periode, waarin de scène gedurende elke periode een tĳd actief belicht wordt door de lichtbron en gedurende een tijd niet actief belicht wordt door de lichtbron.

Figuur 1B geeft gedetecteerde events weer voor een SPD, waarbij elke event (3a, 3b, 3c) een inval van een foton op de SPD weergeeft. Een deel van deze events zijn het gevolg van omgevingslicht, random noise of foutsignalen (3b, 3c), en een deel van de events zijn afkomstig van fotonen die door de lichtbron zijn uitgestuurd (3a). De eerste groep heeft statistisch in principe een willekeurige verdeling, de tweede groep zal in de tijdsperiodes liggen waarin de lichtbron licht uitstuurt.

In Figuur 1B zijn ook observatievensters (2; Wi, Wa, Wo) zichtbaar, in dit geval opnieuw met vaste lengte en vaste periode, waarvoor de observatiestatus van de SPD wordt geregistreerd (het al of niet detecteren van een fotoninval gedurende het observatievenster). Door belichting met een actief signaal, is de kans zeer groot dat in het observatievenster (dat binnen de belichtingsblokgolf valt) één of meer events gedetecteerd worden.

In Figuur 1C worden ten slotte gedetecteerde events (3b, 3c) weergegeven, zonder de events die het gevolg zijn van de belichting door de lichtbronnen, met opnieuw de observatievensters aangeduid.

Het is duidelijk uit Figuur 1C dat in sommige observatievensters door de random verdeling van gedetecteerde events nog steeds events (3c) plaatsvinden, en zouden dan incorrect als een detectie van een invallend foton beschouwd kunnen worden op de

SPD. Door de persistentievoorwaarde op te leggen dat bijvoorbeeld in twee opeenvolgende observatievensters (of zelfs drie, of twee op drie, etc. afhankelijk van de opgelegde persistentievoorwaarde) een positieve observatiestatus moet waargenomen worden (i.e. een gedetecteerde event in het observatievenster), wordt echter verzekerd dat die random events niet langer als een ‘echte’ detectie worden

16 BE2021/5744 geëvalueerd bij de beeldvorming. Figuur 1C toont immers slechts één observatievenster met een positieve observatiestatus.

De ‘echte events’ (3a), ten gevolge van de belichting met een actief signaal, worden echter wel geconfirmeerd, gezien er in Figuur 1B in twee opeenvolgende (en zelfs in alle) observatievensters een positieve observatiestatus wordt waargenomen, en de persistentievoorwaarde voldaan wordt.

Figuren 2A-C geven dezelfde grafieken weer, met het verschil dat, zoals te zien in Figuur 2A, de belicht niet gepulst is, maar continu. Figuur 2B toont hierbij enkel de events veroorzaakt door de belichting in de observatievensters.

Figuur 3 geeft een mogelijke schakeling weer voor een SPD detectorelement volgens de uitvinding, waarbij eveneens een (optionele) coïncidentievoorwaarde wordt opgelegd na de persistentievoorwaarde via een schakeling (4) hiertoe. Hierbij wordt de persistentievoorwaarde opgelegd dat twee opeenvolgende observatievensters een positieve observatiestatus moeten vertonen.

Een fotondetector, SPD of SPAD, (5)wordt geschakeld in serie met een weerstand over een spanning Ves, ten opzichte van de grond. Bij een fotoninval op de detector, leidt dit tot een breakdown in de detector, en een stroom over de weerstand (of anders gesteld een verandering van de spanning op het punt tussen de detector en de weerstand. Deze schakeling met weerstand noemt men “passive quenching”. Het spreekt voor zich dat andere “quenching” schakeling zoals “active quench”-schakelingen ook toepasbaar zijn.

Vervolgens wordt een puls detector voorzien die de gemeten spanning omzet in een discreet signaal (waarbij 1 een positieve observatiestatus aangeeft, of dus de detectie van een fotoninval tijdens het observatievenster; en O een negatieve observatiestatus, of dus het niet detecteren daarvan).

Het signaal dat de observatiestatus aangeeft van een observatievenster click_Tn-1 wordt vervolgens via een flipflop (FF) in feite van een delay voorzien overeenkomstig met de periode van de observatievensters (door de FF te clocken met de rising edge van het observatievenster), en vervolgens gecombineerd via een AND-poort met het ‘nieuwe’, huidige signaal dat de observatiestatus aangeeft horende bij observatievenster click_Tn.

Indien beide observatiestatussen positief zijn. Zo levert de AND-poort een 1- confirmatiesignaal aan zijn uitgang, wat dan kan gebruikt worden in verdere verwerking van de signalen, zoals bijvoorbeeld combinatie met de signalen uit naburige detectorelementen (6).

Het is duidelijk dat aan de hand van Figuur 3 eenvoudig nog meer observatiestatussen kunnen meegenomen worden, door het voorzien van verdere flipflop-componenten of geheugenelementen, die dan via logische schakelingen de gewenste persistentievoorwaarde opleggen.

7 BE2021/5744

Figuur 4 geeft een verdere adaptatie weer, waar een eerste flipflop (FF1) het detectiesignaal van de SPD (5) gebruikt om de eerste flipflop (FF1) te clocken, zodat wanneer dit tijdens een observatievenster valt (en dat signaal dus een 1 levert), FF1 ook een 1 doorklokt. Zonder een observatievenster (signaal = 0) wordt ook een 0 doorgeklokt als input voor de tweede flipflop (FF2), waar de falling edge van het observatievenster (niet — observatievenster) ditmaal als clock trigger fungeert, zodat wanneer uit de eerste flipflop de observatiestatus uit het volgende observatievenster komt (“click_Tn”) als data output Q, de observatiestatus van het vorige observatievenster (“click_Tn-1”) in de tweede flipflop zit, die dan gecombineerd worden met de AND-poort die volgt.

Door toevoeging van verdere flipflops die gebruik maken van de delay, kunnen verdere voorwaarden opgelegd worden, zoals drie opeenvolgende positieve observatiestatussen.

Opnieuw kan dit gevolgd worden door één of meer schakelingen (4) die coïncidentievoorwaarden opleggen.

Figuur 5 toont een schakeling waar de voorbije N observatiestatussen worden bijgehouden in N geheugenelementen (7). De schakeling voor het determineren van de observatiestatus leidt het signaal van de SPD (5) naar de clock van de flipflop (FF), waarbij het signaal van het observatievenster werkt als data input (D) voor de flipflop (FF), zodat als data output (Q) 1 wordt gegenereerd als de SPD een fotoninval gedetecteerd wordt in een observatievenster en een 0 bij afwezigheid daarvan.

Het signaal uit de flipflop wordt opgeslagen in opeenvolgende geheugenelementen, waarbij deze cyclisch doorlopen worden als opslag. De geheugenelementen voorzien het daarin opgeslagen signaal aan een logische schakeling die de persistentievoorwaarden oplegt naargelang deze ingesteld zijn. De vakman kan eenvoudig de voorwaarden omzetten in een schakeling met behulp van eenvoudige componenten, en deze zullen hier niet verder besproken worden. Voor Figuur 5 wordt gemakshalve een N input -AND poort voorzien, waardoor de persistentievoorwaarde vereist dat in N van de voorbije N observatievensters een fotoninval gedetecteerd moet worden om een confirmatiesignaal te generen (en dan bijvoorbeeld verder aan te leveren aan een verwerkingseenheid, die mogelijk coïncidentievoorwaarden oplegt).

Figuur 6 toont een schakeling waar de schakeling van Figuur 5 aangevuld is met een kalibratieschakeling (9) dat opereert volgens de routines besproken in de beschrijving.

Aan de hand van het resultaat van een kalibratieroutine en de kalibratievoorwaarden, wordt in dit geval een High Priority (HP) of Low Priority (LP) toegekend voor de SPD (5), wat het gevolg heeft dat bij HP de observatiestatus geen verdere

16 BE2021/5744 persistentievoorwaarde meer ondergaat, en onmiddellijk tot een confirmatiesignaal leidt. Bij een LP classificatie worden strengere persistentievoorwaarden toegepast, in dit geval opnieuw de N positieve observatiestatussen in de voorbije N observatievensters vooraleer een confirmatiesignaal gegenereerd wordt. De SPD kan eveneens uitgeschakeld worden door de kalibratieroutine indien bijvoorbeeld een issue wordt opgemerkt (gesatureerde SPD bvb.), via een switch (8).

In Figuur 7 wordt een coïncidentievoorwaarde lokaal opgelegd op de confirmatiesignalen vooraleer het al of niet wordt doorgeleid naar verdere verwerkingseenheden. Voor de precieze uitwerking van coïncidentievoorwaarden, wordt verwezen naar onder meer

PCT/IB2021/054688, BE2020/5975 en BE2021/5521. De confirmatiesignalen uit de persistentieschakeling van Figuur 6 wordt hierbij door een coïncidentieschakeling (10) verwerkt vooraleer naar een geschikte bus geforward te worden.

Figuur 8A geeft een mogelijke toepassing weer van een schakeling om een eerste mogelijke kalibratievoorwaarde op te leggen aan een SPD (5) via een kalibratieschakeling (9a), namelijk het afwezig zijn van fotoninvallen over de voorbije N kalibratievensters. Het inkomende ‘click’ signaal geeft het al of niet detecteren van een fotoninval weer (detectiesignaal), dat vervolgens via een inverter naar een OR-poort gestuurd wordt, samen met een signaal dat aangeeft of de kalibratieroutine loopt. Deze combinatie resulteert enkel in een O indien er zowel een fotoninval is (1 als detectiesignaal) en de kalibratieroutine loopt (en er in dat kalibratievenster dus niet voldaan is aan de kalibratievoorwaarde). De output van de OR-poort wordt naar een

NAND-poort geleverd, samen met de geïnverteerde Q-output van een flipflop (FF). De output van de NAND-poort gaat naar de data input D van de flipflop, die geklokt wordt aan de hand van de start van elk van de kalibratievensters. Zolang er geen fotoninval heeft plaatsgevonden, blijft het signaal dat aan de data input geleverd wordt op 0, en levert de geïnverteerde Q output (QN) 1 op, die terug geloopt wordt naar de data input via de NAND-poort en het “nieuwe” signaal van het volgende kalibratievenster, dat dus 1 oplevert zolang er geen fotoninval is (gezien de ‘click’ dan O is, en geïnverteerd als 1 wordt toegeleverd aan de OR poort, en dus een 1 aanlevert aan de NAND-poort).

Zolang de kalibratieroutine blijft lopen (en ZeroBG_EnableN = 1), blijft de flipflop (FF) deze loop herhalen. Van zodra één fotoninval gedetecteerd wordt, levert de flipflop als geïnverteerde output een 0 die via de geïnverteerde NAND-poort altijd een 1 oplevert, en zo weer een geïnverteerde output van 0, die blijft loopen.

Het resulterende signaal ZeroBG wordt vervolgens gebruikt om het signaal uit de persistentieroutine te classificeren als voldoend aan de kalibratievoorwaarde of niet, en zo als HP of LP output te gebruiken, via de poorten in de schakeling van Figuur 8B.

9 BE2021/5744

Figuur 9A geeft een mogelijkheid weer om, naast de kalibratieschakeling van Figuur 8A nog een tweede kalibratieschakeling (9b) te voorzien, die de mogelijke classificaties voor een SPD (5) verder uitbreidt. Waar de kalibratieschakeling (9a) van Figuur 8A tracht om te determineren welke SPDs niet (of minder) gevoelig zijn aan achtergrondstraling (of thermische ruis of andere), is de tweede kalibratieschakeling gericht op het determineren of er gesatureerde SPDs aanwezig zijn, die met andere woorden altijd een detectie zullen aangeven.

Het signaal van de SPD (“click”) wordt geïnverteerd geleverd aan een AND-poort samen met dat van de kalibratieroutine. Indien deze kalibratieroutine loopt (noSAT_ Enable = 1), en er een fotoninval of fotonevent gedetecteerd wordt (“click” = 1), levert dit een 0 uit de AND-poort, en een 1 op als er geen event is.

Het signaal uit de AND-poort is input voor een OR-poort, samen met de geloopte data- output Q van de flipflop (FF). Het resultaat uit de OR-poort is dan de data input voor de flipflop, met als clocksignaal dat van de kalibratievensters.

Indien er geen event is (signaal 1 naar de OR-poort), levert dit automatisch een 1 op naar de data input, en dus een 1 aan de data output Q. Deze data output Q van 1 gaat dan terug naar de OR-poort (automatisch terug 1) en zo naar de data input, die zo terug 1 is, wat zo blijft loopen. Dit betekent, dat als er tijdens deze tweede kalibratieroutine (minstens één) een kalibratievenster is waarin geen event plaatsvindt, de kalibratieschakeling een 1 zal aanleveren, wat betekent dat de SPD niet gesatureerd is.

Indien er in elk kalibratievenster events optreden (click = 1), zal de OR-poort altijd een

O ontvangen vanuit de SPD (na de AND-poort), die vervolgens blijft loopen tenzij voorafgegaan door een 1 signaal aan de data output Q van de flipflop (FF). Bij continue events zal de output van deze tweede kalibratieschakeling dus een 0 opleveren, wat aanduidt dat de SPD gesatureerd is. Bij een noSAT van 0 (gesatureerd) zal ZeroBG dus altijd O als signaal hebben, gezien er steeds events gezien worden.

Het resulterende signaal noSAT wordt vervolgens gebruikt om het signaal uit de persistentieroutine te classificeren als voldoend aan de tweede kalibratievoorwaarde of niet, en zo in de schakeling van Figuur 9B, samen met de eerste kalibratieschakeling van Figuur 8A en het daaruit volgende signaal ZeroBG, de SPDs classificeren en de verwerking van de resultaten bijsturen.

Zo zal de voorgestelde schakeling bij een noSAT van 0 (gesatureerde SPD) - en dus ook een ZeroBG van 0 -steeds leiden tot het afwijzen van het signaal uit de SPD, ook al voldoet het aan de persistentievoorwaarde.

Anderzijds, bij een niet-gesatureerde SPD (noSAT=1), bepaalt ZeroBG of de SPD als high priority of low priority wordt verwerkt.

20 BE2021/5744

Ten slotte zal een noSAT van 0 (gesatureerde SPD), de SPD ook afgeschakeld worden via een bijkomende schakeling (8).

Het is verondersteld dat de huidige uitvinding niet beperkt is tot de uitvoeringsvormen die hierboven beschreven zijn en dat enkele aanpassingen of veranderingen aan de beschreven voorbeelden kunnen toegevoegd worden zonder de toegevoegde conclusies te herwaarderen.

Claims

21 BE2021/5744 CONCLUSIES

1. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming aan de hand van een array omvattende een veelheid single photon detectoren SPD (5), bij voorkeur single photon avalanche detectoren SPAD (5), omvattende volgende stappen:

a. het opvangen van fotonen op de SPDs (5), waarbij de SPDs (5) een detectiesignaal C_ov genereren en voorzien aan een evaluatiecircuit, waarbij het detectiesignaal een positieve observatiestatus beschrijft bij het plaatsvinden van een observatie door de SPD (5) van een te detecteren elektromagnetische straling, en een negatieve observatiestatus beschrijft bij afwezigheid van de observatie door de SPD (5) van de detecteren elektromagnetische straling;

b. het door het evaluatiecircuit per SPD (5) evalueren van de detectiesignalen van de SPD (5), waarbij aan een persistentievoorwaarde moet voldaan worden door de detectiesignalen per SPD om een confirmatiesignaal te genereren voor de SPD (5); met het kenmerk dat voor minstens één, en bij voorkeur elke, SPD (5) de persistentievoorwaarde een positieve observatiestatus vereist voor de SPD (5) in minstens M, bij voorkeur opeenvolgende, observatievensters (2), bij voorkeur met periode T, over de voorbije N observatievensters (2), met M groter dan 1 en ten hoogste gelijk aan

N.

2. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens de voorgaande conclusie 1, omvattende een stap van het met één of meerdere lichtbronnen scannend belichten van een scène aan de hand van een voorafbepaald belichtingspatroon omvattende temporeel gescheiden lichtpulsen, waarbij elk van de observatievensters (2) temporeel geassocieerd is aan één van de lichtpulsen, en het detectiesignaal het al of niet plaatsvinden van een observatie door de SPD (5) ten gevolge van de lichtpuls geassocieerd aan het observatievenster (2) weergeeft.

3. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens de voorgaande conclusie 2, waarin de observatievensters een begintijd hebben die substantieel samenvalt met de begintijd van de geassocieerde lichtpuls, waarbij substantieel samenvallen inhoudt dat de begintijd van het observatievenster (2) tussen 0 ns en ten hoogste 1.0 ns na de begintijd van de lichtpuls ligt, bij voorkeur ten hoogste 0.5 ns, bij hogere voorkeur ten hoogste 0.1 ns.

22 BE2021/5744

4. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens de voorgaande conclusie 2 of 3, waarbij de observatievensters (2) een eindtijd hebben dewelke tussen 0.0 ns en 25.0 ns na de eindtijd van de geassocieerde lichtpuls ligt, bij voorkeur tussen 0.05 ns en 15.0 ns, bij hogere voorkeur tussen 0.1 ns en 10.0 ns, na de eindtijd van de geassocieerde lichtpuls.

5. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens de voorgaande conclusie 1, omvattende een stap van het met één of meerdere lichtbronnen scannend belichten van een scène, waarbij de lichtbronnen de scène substantieel continu belichten.

6. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 5, waarin M en/of N instelbaar zijn, en bij voorkeur instelbaar per SPD (5).

7. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 6, waarbij een confirmatiesignaal voor een eerste SPD die voldoet aan de persistentievoorwaarde gegenereerd wordt indien voldaan wordt aan een coïncidentievoorwaarde, waarbij de coïncidentievoorwaarde het voldoen aan de persistentievoorwaarde vereist door minstens één andere SPD voor het observatievenster, waarbij de minstens één andere SPD aanpalend is aan de eerste SPD die voldoet aan de persistentievoorwaarde.

8. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 6, waarbij een confirmatiesignaal voor een eerste SPD gegenereerd wordt indien voldaan wordt aan een coïncidentievoorwaarde en aan de persistentievoorwaarde, waarbij het evaluatiecircuit geconfigureerd is voor het opleggen van de persistentievoorwaarde na het opleggen van de coïncidentievoorwaarde en enkel voor SPDs (5) dewelke voldoen aan de coïncidentievoorwaarde, waarbij de coïncidentievoorwaarde het ontvangen omvat door minstens één andere SPD (5) van een detectiesignaal met een positieve observatiestatus binnen een bepaald tijdsinterval van het ontvangen van het detectiesignaal met een positieve observatiestatus door de eerste SPD (5), waarbij de minstens één andere SPD (5) aanpalend is aan de eerste SPD (5) waaraan de coïncidentievoorwaarde wordt opgelegd.

23 BE2021/5744

9. Werkwijze voor hogesnelheidsbeeldvorming volgens één van de voorgaande conclusies 7 of 8, waarbij de SPDs (5) in het array in een substantieel rechthoekige matrix gepositioneerd zijn, waarbij een SPD (5) aanpalend is aan een andere SPD (5) wanneer de SPD (5) een matrixpositie i,j heeft, met i de rij en j de kolom in de matrix, en de andere SPD (5) een matrixpositie i,j}1 en optioneel it1,j of it1,jt1 heeft.

10. Werkwijze volgens de voorgaande conclusies 1 tot en met 9, waarbij voorafgaand aan beeldvorming, een kalibratieroutine uitgevoerd wordt, de kalibratieroutine omvattende volgende stappen:

a. het door het evaluatiecircuit per SPD (5) controleren van de detectiesignalen van de SPD (5) over een kalibratietijdsperiode, in minstens twee, bij voorkeur minstens drie, kalibratievensters in de kalibratietijdsperiode, genoemde kalibratievensters temporeel gescheiden van elkaar, en waarbij gedurende de kalibratietijdsperiodes, de SPD (5) niet actief belicht wordt door de één of meerdere lichtbronnen;

b. het classificeren van de SPDs (5) op basis van het aantal kalibratievensters waarin een observatie door de SPD (5) plaatsvindt.

11.Werkwijze volgens de voorgaande conclusie 10, waarin de SPDs (5) geclassificeerd worden over minstens twee, bij voorkeur drie, classificaties, waarbij een aan de classificatie van de SPD (5) geassocieerde persistentievoorwaarde opgelegd wordt voor het genereren van een confirmatiesignaal voor de SPD (5).

12. Detectorelement (6) voor het detecteren van een elektromagnetische straling, omvattende:

a. een single photon detector SPD (5), bij voorkeur een single photon avalanche detector SPAD (5), geconfigureerd om een signaal C_ov te genereren dat een status van het al of niet plaatsvinden van een observatie door de SPD (5) van de te detecteren elektromagnetische straling voor opeenvolgende observatievensters (2) beschrijft;

b. een geheugen-element (7) dat de status van de SPD (5) aan het eind van minstens N vorige observatievensters (2) onthoudt, met N een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1;

c. een logische schakeling (4) geconfigureerd om een confirmatiesignaal te genereren indien het signaal van de SPD aan het einde van een huidig observatievenster (2) en van minstens M van de N vorige

24 BE2021/5744 observatievensters (2) een observatie door de SPD (5) aangeeft, met M een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1 en hoogstens gelijk aan N.

13. Sensorsysteem voor hogesnelheidsbeeldvorming, omvattende a. een matrix/array van detectorelementen (6) volgens claim 12;

b. een schakeling (4) voor het uitlezen van de detectorelementen (6) in de matrix/array.

14. Sensorsysteem voor hogesnelheidsbeeldvorming, omvattende a. Een matrix/array van = detectorelementen (6), waarbij de detectorelementen (6) een single photon detector SPD (5) omvatten, bij voorkeur een single photon avalanche detector SPAD (5), de SPD (5) geconfigureerd om een signaal C_ov te genereren dat een status van het al of niet plaatsvinden van een observatie door de SPD (5) van de te detecteren elektromagnetische straling voor opeenvolgende observatievensters (2) beschrijft;

b. een logische schakeling (4) voor het uitlezen van de signalen C_ov van de detectorelementen (6) in de matrix/array, genoemde logische schakeling (4) voorzien van één of meer geheugenelementen (7); waarbij de één of meer geheugenelementen (7) geconfigureerd zijn om per SPD (5) de status van de SPD (5) aan het eind van minstens N vorige observatievensters (2) te onthouden, met N een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1; waarbij de logische schakeling (4) geconfigureerd is om voor een SPD (5) een confirmatiesignaal te genereren indien het signaal van de SPD (5) aan het einde van een huidig observatievenster (2) en van minstens M van de N vorige observatievensters (2) van de SPD (5) een observatie door de SPD (5) aangeeft, met M een natuurlijk getal gelijk aan of groter dan 1 en hoogstens gelijk aan N.

15.Sensorsysteem volgens de voorafgaande claim 13 of 14, waarbij het sensorsysteem geconfigureerd is voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 1 tot en met 11.