CN105791718A - 基于事件驱动读出方式的spad图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物成像芯片领域，为实现减少数据输出量，减小输出I/O(input/output，输入输出)口带宽的压力，提高像素的填充因子，本发明采取的技术方案是，基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，由像素阵列、处理电路组成，其中像素阵列为N×N，每个像素内部含有SPAD器件、淬灭电路、校准电路以及单稳态电路；每(N/2)×(N/2)像素对应一套处理电路，处理电路包括TDC阵列、地址记录模块、或门和与门组成的Or‑tree以及读出电路；地址记录电路将电压脉冲产生像素的列地址与行地址进行编码；TDC用于量化电压脉冲发生的时间。本发明主要应用于芯片设计制造场合。

Description

基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器
技术领域
本发明涉及生物成像芯片领域，尤其涉及实时荧光寿命成像领域。具体讲,涉及基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器。
背景技术
荧光寿命成像(Fluorescencelifetimeimagingmicroscopy，FLIM)是一种广泛应用于生物学、医学领域的生物分子识别方法。荧光寿命成像技术是利用合适波长的入射脉冲光对生物样品进行激发，通过测量生物组织中的自发荧光发光强度衰减过程时间的不同，来获得荧光团分子内部的能级结构，同时可用来区分样品中的不同分子种类的成像技术。荧光寿命成像广泛应用在生命科学、医学领域，如细胞生物学、癌症的诊断、器官组织分析、药品的传递和释放、血液病理学等领域。
目前利用内光电效应进行单光子探测的单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalanchePhotoDiode，SPAD)逐渐发展了起来。它除了单光子的探测灵敏度和皮秒量级的响应速度两个基本特点外，最明显的优势在于作为一种固态平面器件，SPAD可以使用CMOS半导体工艺制造，实现阵列集成，可以使用少的多的激光激发次数完成一次成像，大大提高FLIM成像的速度。但是由于SPAD发展时间较短，将其应用于大阵列的时间相关单光子计数成像仍存在着若干亟待解决的问题。
非常重要的一点是其在大阵列下的高速读出问题。像素每检测到一个光子，就会产生一个事件，需要处理时间数据并进行输出。这就导致了即使是在低分辨率的阵列中，也需要很大的带宽来转移读出数据。如何实现高分辨率的SPAD图像传感器高速读出以及数据压缩也是急需解决的问题。传统的读出方式，如顺序读出，在像素数目较多的情况下无法进行快速的输出；后来，使用了列级时间-数字转化电路(Timetodigitalconversion，TDC)实现了行并行读出，这种读出方式提高了填充率，读出速度也较高；后来又出现了像素级的TDC，在每个像素内部集成SPAD与TDC，实现像素级的并行输出。由于实际成像过程中，每个像素检测到光子的概率只有1％，所以每一次脉冲激光后，像素阵列检测到的光子数目不会很多。
发明内容
为克服现有技术的不足，提出一种用于荧光寿命成像的图像传感器芯片结构，能够大大减少数据输出量，减小输出I/O(input/output，输入输出)口带宽的压力，提高像素的填充因子。为此，本发明采取的技术方案是，基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，由像素阵列、处理电路组成，其中像素阵列为N×N，每个像素内部含有SPAD器件、淬灭电路、校准电路以及单稳态电路，作用是在检测到一个雪崩事件后输出电压脉冲；每(N/2)×(N/2)像素对应一套处理电路，共有4套处理电路，处理电路包括TDC阵列、地址记录模块、或门和与门组成的Or-tree以及读出电路；Or-tree的作用是汇总(N/2)×(N/2)像素的电压脉冲；地址记录电路将电压脉冲产生像素的列地址与行地址进行编码；TDC用于量化电压脉冲发生的时间。
Or-tree电路是由门级电路组合构成的能够实现多输入单输出的“或”操作的Or-tree电路。
Or-tree是N/2个输入和1个输出的模块，N/2个像素输出总线相邻总线连接到一个或非门，两个相邻或非门的输出连接到一个与非门，所有与非门的输出连接到一个总的多输入单输出的或门。通过该电路实现所有总线的“或”操作。
当检测到光子后，Or-tree将像素阵列的信号通过“或”操作进行汇总，将电压脉冲送入TDC中进行时间信息的量化；同时列与行的位置信息由地址记录电路对列总线与行总线输出进行编码得到；最后通过读出电路将像素输出和像素地址输出。
当检测到光子后，像素阵列内部Or-tree会将光子引起的脉冲汇总至阵列的N/2条行总线与N/2条列总线中，进而两个阵列外Or-tree会进一步汇总行、列总线上的脉冲，最终高度汇总的脉冲会经过一个寄存器链，将电压脉冲依次送入不同的TDC中进行时间信息的量化；同时列与行的位置信息由N/2位到(log2N+1)位编码器对列总线与行总线输出编码得到，位编码器中有1位为数据有效标志位，然后结果会存入到相应的寄存器中，这个过程也由最终高度汇总的脉冲控制；为了保证数据的有效性，只有当时间数据、行位置数据与列位置数据数量相等时，此次曝光周期输出的数据方可有效。
每个像素中淬灭电路结构是，将晶体管M1、M2、M3、M4作为一个正反馈环路来感知SPAD阴极电流的变化并进行快速淬灭，逻辑电路会控制M5的开启以加速淬灭；SPAD完成淬灭后，不会立即恢复到工作模式，直到复位信号有效时通过M6将SPAD复位至工作模式；SPAD像素输出的事件将被送到列以及行的与门树Or_tree，所以整个像素阵列的输出为列N/2根总线以及行N/2跟总线；在像素中存在校准模块以便在工作中校准由于信号通路延迟带来的TDC量化误差。
TDC结构是，位数为十位，其中环形振荡器在检测到光子后开始震荡，由于复位过程中将环形振荡器的节点电压复位，所以环形振荡器可以快速起振；七位计数器记录环形振荡器震荡的周期数，作为高七位的量化结果；三位细量化通过记录环形振荡器终止震荡时的相位信息进而进行译码来获得。
本发明的特点及有益效果是：
与传统的SPAD阵列输出方式相比，由于本发明通过使用Or-tree将产生脉冲的像素地址记录下来，大大减少了数据输出量，减小输出I/O口带宽的压力。
附图说明：
图1：用于荧光寿命成像的图像传感器芯片总体架构；
图2：8×8像素阵列示意图；
图3：芯片工作示意图；
图4：事件分配寄存器链示意图；
图5：像素内淬灭电路示意图；
图6：TDC中GRO电路图(a)TDC总体结构(b)。
图7：Or-tree结构示意图。
具体实施方式
本发明采取的技术方案是，基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，由像素阵列、TDC阵列、地址记录模块、门树(Or-tree)和读出电路组成，如图1。其中像素阵列为N×N，每个像素内部含有SPAD器件、淬灭电路、校准电路以及单稳态电路，作用是在检测到一个雪崩事件后输出电压脉冲；每(N/2)×(N/2)像素对应一套处理电路，共有4套处理电路，处理电路包括TDC阵列、地址记录模块、或门和与门组成的Or-tree以及读出电路；Or-tree的作用是汇总(N/2)×(N/2)像素的电压脉冲；地址记录电路将电压脉冲产生像素的列地址与行地址进行编码；TDC用于量化电压脉冲发生的时间。
本发明中Or-tree是N/2个输入和1个输出的模块，N/2个像素输出总线相邻总线连接到一个或非门，两个相邻或非门的输出连接到一个与非门，所有与非门的输出连接到一个总的多输入单输出的或门。通过该电路实现所有总线的“或”操作。除此之外，由于多信号的“或”操作可以由多种门电路组成方式完成，因此由其他门级电路组合构成的能够实现多输入单输出的“或”操作的Or-tree电路也在本专利的保护范围之内。
当检测到光子后，Or-tree将像素阵列的信号通过“或”操作进行汇总，将电压脉冲送入TDC中进行时间信息的量化；同时列与行的位置信息由地址记录电路对列总线与行总线输出进行编码得到；最后通过读出电路将像素输出和像素地址输出。
由于每个像素检测到光子的概率大约为1％，在一次激光脉冲引发荧光的周期内，只有少数的像素可以成功的检测到光子。所以对于一个(N/2)×(N/2)像素阵列，芯片只记录了四组时间与位置信息。当检测到光子后，Or-tree将像素阵列的信号通过“或”操作进行汇总，将电压脉冲依次送入不同的TDC中进行时间信息的量化；同时列与行的位置信息由地址记录电路对列总线与行总线输出进行编码得到；最后通过读出电路将像素输出和像素地址输出。相对于传统方式的读出所有数据，事件驱动读出数据方式只读取了原先1/N的数据量，这大大缓解了I/O口的带宽压力，所以芯片的读出帧频可以提高至原先的N倍。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
本芯片的系统建构如图1所示，分辨率为N×N(图例中以N＝16为例)，每个像素内部含有SPAD器件、淬灭电路、校准电路以及单稳态电路。每(N/2)×(N/2)像素对应一套处理电路，共有4套处理电路，处理电路包括4×1TDC阵列、列地址记录模块、行地址记录模块、或门和与门组成的Or-tree以及读出电路。其中像素的作用是在检测到一个雪崩事件后输出电压脉冲；Or-tree的作用是汇总(N/2)×(N/2)像素的电压脉冲；列地址记录模块以及行地址记录将电压脉冲产生像素的列地址与行地址进行编码；TDC用于量化电压脉冲发生的时间。每两个(N/2)×(N/2)像素阵列共用一个PLL以及时序控制电路。PLL的作用是稳定TDC中GRO的振荡频率以避免工艺、电压以及温度对震荡频率的影响。时序控制电路控制像素中SPAD的复位、TDC的复位以及读出电路。
由于每个像素检测到光子的概率大约为1％，在一次激光脉冲引发荧光的周期内，只有少数的像素可以成功的检测到光子。所以对于一个(N/2)×(N/2)像素阵列，芯片只记录了四组时间与位置信息。当芯片检测到光子后，像素阵列内部Or-tree会将光子引起的脉冲汇总至阵列的N/2条行总线与N/2条列总线中，如图2所示。进而两个阵列外Or-tree会进一步汇总行、列总线上的脉冲，最终高度汇总的脉冲会经过一个寄存器链(图3所示)，将电压脉冲依次送入不同的TDC中进行时间信息的量化。同时列与行的位置信息由N/2位到(log2N+1)位编码器(有1位为数据有效标志位)对列总线与行总线输出编码得到，然后结果会存入到相应的寄存器中，这个过程也由最终高度汇总的脉冲控制，整个工作过程如图4所示。为了保证数据的有效性，只有当时间数据、行位置数据与列位置数据数量相等时，此次曝光周期输出的数据方可有效。相对于传统方式的读出所有数据，事件驱动读出数据方式只读取了原先1/N的数据量，这大大缓解了I/O口的带宽压力，所以芯片的读出帧频可以提高至原先的N倍。
每个像素中只含有SPAD、主动淬灭电路以及单稳态电路，所以像素的填充因子会比较高。淬灭电路如图5所示，该结构没有使用淬灭电阻，而是基于一种电流镜形式的主动淬灭电路，可以将M1、M2、M3、M4作为一个正反馈环路来感知SPAD阴极电流的变化并进行快速淬灭，逻辑电路会控制M5的开启以加速淬灭。SPAD完成淬灭后，不会立即恢复到工作模式，直到复位信号有效时通过M6将SPAD复位至工作模式。SPAD像素输出的事件将被送到列以及行的与门树(Or_tree)，所以整个像素阵列的输出为列N/2根总线以及行N/2跟总线。另外在像素中存在校准模块以便在工作中校准由于信号通路延迟带来的TDC量化误差。
TDC结构如图6所示，位数为十位，时间分辨率为125ps，其中环形振荡器在检测到光子后开始震荡，由于复位过程中将环形振荡器的节点电压复位，所以环形振荡器可以快速起振。七位计数器记录环形振荡器震荡的周期数，作为高七位的量化结果。三位细量化通过记录环形振荡器终止震荡时的相位信息进而进行译码来获得。
本发明提出了一种用于荧光寿命成像的基于事件驱动读出方式的16×16SPAD图像传感器，帧频为10Mfps，带宽为720Mbps,将TDC数目下降至16个，填充因数为13.25％，平均功耗为12mW。
本发明芯片在10MHz激光频率激发荧光的情况下，可测量荧光范围是1ns-20ns，误差不超过3％。
本发明提出的一种用于荧光寿命成像的基于事件驱动读出方式的16×16SPAD图像传感器，帧频为10Mfps，带宽为720Mbps。

Claims (7)

1.一种基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，其特征是，由像素阵列、处理电路组成，其中像素阵列为N×N，每个像素内部含有SPAD器件、淬灭电路、校准电路以及单稳态电路，作用是在检测到一个雪崩事件后输出电压脉冲；每(N/2)×(N/2)像素对应一套处理电路，共有4套处理电路，处理电路包括TDC阵列、地址记录模块、或门和与门组成的Or-tree以及读出电路；Or-tree的作用是汇总(N/2)×(N/2)像素的电压脉冲；地址记录电路将电压脉冲产生像素的列地址与行地址进行编码；TDC用于量化电压脉冲发生的时间。
2.如权利要求1所述的基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，其特征是，Or-tree电路是由门级电路组合构成的能够实现多输入单输出的“或”操作的Or-tree电路。
3.如权利要求2所述的基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，其特征是，Or-tree是N/2个输入和1个输出的模块，N/2个像素输出总线相邻总线连接到一个或非门，两个相邻或非门的输出连接到一个与非门，所有与非门的输出连接到一个总的多输入单输出的或门，通过该电路实现所有总线的“或”操作。
4.如权利要求2所述的基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，其特征是，当检测到光子后，Or-tree将像素阵列的信号通过“或”操作进行汇总，将电压脉冲送入TDC中进行时间信息的量化；同时列与行的位置信息由地址记录电路对列总线与行总线输出进行编码得到；最后通过读出电路将像素输出和像素地址输出。
5.如权利要求1所述的基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，其特征是，当检测到光子后，像素阵列内部Or-tree会将光子引起的脉冲汇总至阵列的N/2条行总线与N/2条列总线中，进而两个阵列外Or-tree会进一步汇总行、列总线上的脉冲，最终高度汇总的脉冲会经过一个寄存器链，将电压脉冲依次送入不同的TDC中进行时间信息的量化；同时列与行的位置信息由N/2位到(log2N+1)位编码器对列总线与行总线输出编码得到，位编码器中有1位为数据有效标志位，然后结果会存入到相应的寄存器中，这个过程也由最终高度汇总的脉冲控制；为了保证数据的有效性，只有当时间数据、行位置数据与列位置数据数量相等时，此次曝光周期输出的数据方可有效。
6.如权利要求1所述的基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，其特征是，每个像素中淬灭电路结构是，将晶体管M1、M2、M3、M4作为一个正反馈环路来感知SPAD阴极电流的变化并进行快速淬灭，逻辑电路会控制M5的开启以加速淬灭；SPAD完成淬灭后，不会立即恢复到工作模式，直到复位信号有效时通过M6将SPAD复位至工作模式；SPAD像素输出的事件将被送到列以及行的与门树Or_tree，所以整个像素阵列的输出为列N/2根总线以及行N/2跟总线；在像素中存在校准模块以便在工作中校准由于信号通路延迟带来的TDC量化误差。
7.如权利要求1所述的基于事件驱动读出方式的SPAD图像传感器，其特征是，TDC结构是，位数为十位，其中环形振荡器在检测到光子后开始震荡，由于复位过程中将环形振荡器的节点电压复位，所以环形振荡器可以快速起振；七位计数器记录环形振荡器震荡的周期数，作为高七位的量化结果；三位细量化通过记录环形振荡器终止震荡时的相位信息进而进行译码来获得。
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