CN110247660A - 光学模数转换器及方法 - Google Patents

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    • G02F7/00—Optical analogue/digital converters
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
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    • H03M1/361—Analogue value compared with reference values simultaneously only, i.e. parallel type having a separate comparator and reference value for each quantisation level, i.e. full flash converter type

Abstract

一种光学模数转换器及方法，光学模数转换器具有：用于发射光子(9)的光源(2)；用于接收模拟输入信号(8)并用于基于模拟输入信号(8)驱动光源(2)的驱动器(3)；用于检测由光源(2)提供的光子(9)的单光子雪崩二极管的阵列(4)；以及耦接至单光子雪崩二极管的阵列(4)的控制件(10)，控制件在预定时间间隔(t1，…，t12)内激活单光子雪崩二极管的阵列(4)以使得单光子雪崩二极管的阵列(4)在预定时间间隔(t1，…，t12)内检测由光源(2)提供的光子(9)；并确定单光子雪崩二极管的阵列(4)中在预定时间间隔(t1，…，t12)内检测到光子(9)的单光子雪崩二极管的数量(n1，…，n12)。

Description

光学模数转换器及方法
本申请是申请号为201510104680.6的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体涉及一种光学模数转换器以及用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法。
背景技术
一般来说，模数转换器将模拟输入信号转换为数字输出信号是众所周知的。已知的模数转换器被构建为具有比较器阵列的Flash转换器，所述比较器阵列同时比较模拟输入信号与阈值阵列并输出比特串。所述比特串可以通过编码器电路编码成“编号”，由此获得数字输出信号。分辨率，即，位深，可以通过增加比较器的数量而增加。这类模数转换器的速度基本上取决于所使用的比较器的速度。
为了增加速度和分辨率，众所周知，并行实现这些模数Flash转换器，交织获取过程并使用快速的模拟取样保持电路以便比单模数转换器的情况更快地对模拟输入信号进行取样。对于这些并行模数转换器的实现，每秒2千兆采样的12比特的性能是已知的。
虽然存在模数转换器，但改善模拟信号与数字信号以及各个模数转换器的转换通常是可取的。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种光学模数转换器。所述光学模数转换器包括：被配置为发射光子的光源；被配置为接收模拟输入信号并基于所述模拟输入信号驱动所述光源的驱动器；被配置为检测由所述光源提供的光子的单光子雪崩二极管的阵列；以及耦接至单光子雪崩二极管的阵列的控制件。所述控制件被配置为：在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；并确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
根据第二方面，本发明提供了一种用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法。所述方法包括：接收模拟输入信号；基于所接收的模拟输入信号驱动被配置为发射光子的光源；在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；以及确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
在从属权利要求，以下描述和附图中陈述进一步的方面。
附图说明
实施例通过实例的方式针对附图进行阐述，其中：
图1示意性地示出了光学模数转换器；
图2示意性地示出了模数转换；并且
图3示出了用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法的流程图。
具体实施方式
在参照图1详细描述实施例之前，做出一般阐述。
一种光学模数转换器包括：被配置为发射光子的光源；被配置为接收模拟输入信号并基于所述模拟输入信号驱动所述光源的驱动器；被配置为检测由所述光源提供的光子的单光子雪崩二极管的阵列；以及耦接至单光子雪崩二极管的阵列的控制件。所述控制件被配置为：在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子。所述控制件还被配置为确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
可以直接或间接确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
对于直接确定而言，例如，可以统计单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。对于间接确定而言，例如，可以统计单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内没有检测到光子的单光子雪崩二极管的数量，并且从单光子雪崩二极管的所述阵列中包括的单光子雪崩二极管的总数中减去单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内没有检测到光子的单光子雪崩二极管的数量，从而可以得出单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
光源例如可以包括发光灯丝，发光二极管(下文也称为“LED”)，激光二极管，荧光灯或其他光单元。所述光源可以是高速光源，例如高速发光二极管或激光二极管并且可以被配置为发射特定波长或在波长的特定范围内的光子，其例如可以适应于单光子雪崩二极管的灵敏度。
在一些实施例中对所述光源进行调谐。驱动器可以被配置为接收(电)模拟输入信号并基于所述模拟输入信号驱动所述光源。例如，所述光源的强度可以取决于模拟输入信号，例如取决于模拟输入信号的水平。例如，模拟输入信号的较低电压水平导致光源的强度较低并且模拟输入信号的较高电压水平导致光源的强度较高。光源的强度越高，在预定时间间隔内发射的光子就越多。因此，在一些实施例中，模拟输入信号的电压水平与光源的强度，即，在预定时间间隔内发射的光子的数量成比例或不成比例。在一些实施例中，这意味着强度随模拟输入信号的水平线性增加，同时在其他实施例中，强度二次方地、指数地或以其他方式增加。同样，从强度(基本上)线性增加直到达到阈值并在超过阈值时强度以非线性的方式等增加的意义上来说，可能存在混合。
单光子雪崩二极管的所述阵列包括多个单光子雪崩二极管(下文也称为“SPAD”)。SPAD可以是固态光电检测器(基于半导体)，其中光生载流子由于碰撞电离机制而可以触发雪崩电流。在一些实施例中，SPAD可以检测低强度信号，如可以检测单光子并且每个SPAD可以输出所检测到的光子的到达时间一样。SPAD可以输出通常抖动几十皮秒检测到的光子的到达时间。
SPAD类似地针对雪崩光电二极管利用反向偏置p-n结的雪崩电流。SPAD可以具体地设计为利用大于击穿电压的反向偏置电压进行操作，同样就像盖革计数器的情况一样。该操作模式因此被称为与盖革计数器相似的“盖革模式”。因为SPAD和SPAD阵列通常为本领域技术人员所知，因此下文省略了其更详细的描述。
SPAD的阵列(下文也称为“SPAD阵列”)可以包括至少两个SPAD，但其还可以包括两个以上，例如2乘2(即，4)，4乘4(即16)，2乘4(即8)，或任何其他数量的SPAD。所述SPAD可以按行和列排列在SPAD阵列中，其中，所述行可以水平排列并且所述列可以垂直排列。
SPAD阵列定位成与所述光源相距预定义距离，其中，所述距离可以经固定使得从所述光源发射的光子传播恒定距离到达SPAD阵列的单SPAD。SPAD阵列可以具有平面形状并且可以经排列使得其相对于地面垂直，如果本发明局限于垂直排列的话。所述光源可以具有比SPAD阵列的直径大(很多)的直径，使得从所述光源发射的所有光子基本上都以平行方式到达SPAD阵列并使得所有光子在光源和SPAD阵列之间基本上传播相同距离。
每个SPAD在检测到光子时都输出检测信号。检测信号可以包括时间值，但其还可以只包括指示(一个或多个)光子由各个SPAD检测到的二进制值。在一些实施例中，SPAD阵列还可以包括指示检测到光子的特定SPAD的数字或坐标。
光学模数转换器包括耦接至单光子雪崩二极管的阵列的控制件。在下文中，对所述控制件的功能进行描述。然而，以下描述完全适用于涉及一种用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号(例如，利用本文中描述的光学模数转换器)的方法的实施例。
所述控制件可以包括处理器，微处理器，CPU等并且其还可以包括其他单元，所述单元在下文中同样参照图1进行阐述。
SPAD阵列可以通过单一数据线耦接至控制件，单SPAD的所有检测信号都可以通过所述单一数据线传输至所述控制件。或者，SPAD阵列的所有SPAD都可以利用自己的数据线耦接至所述控制件。在其他实施例中，还实现了数据线连接的混合。例如，SPAD阵列的每行SPAD都经由自己的数据线耦接至控制件等。由SPAD阵列传输的所述检测信号可以是模拟的和/或数字的。而且，所述控制件可以接收，即“读出”，串联或并联SPAD阵列的SPAD的检测信号。在一些实施例中，还通过并行读出SPAD阵列的每行SPAD来实现串联和并联读出的混合，但在其他之后，即以串行的方式等来读出一行SPAD。
如上所述，所述控制件被配置为在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子并确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
因此，在预定时间间隔内激活SPAD阵列的过程中，SPAD阵列检测到从所述光源发射的光子。如上文所讨论的，所述光源的强度，即，每个时间间隔发射的光子的数量，以及因此每个预定时间间隔检测到的光子的数量，指示模拟输入信号或模拟输入信号的水平，例如指示模拟输入信号的电压水平。在一些实施例中，确保(基本上)不超过一个光子入射到单SPAD上，使得单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量对应于入射到SPAD阵列上的光子的数量，并且反之，入射到SPAD阵列上的光子的数量(基本上)对应于由所述光源发射的光子的数量(光子损失，例如，由于散射等而被忽略以及因为假设SPAD阵列的SPAD的检测可能性(基本上)相等而入射到SPAD上的光子的检测可能性通常低于100％的事实)。
由此，将模拟输入信号的水平映射成光子的数量/检测到光子的SPAD的数量。可以将检测到光子的SPAD的数量转化为在预定时间间隔内表示模拟输入信号的水平的比特值。
可以定期执行单光子雪崩二极管的所述阵列的激活和检测到光子的SPAD的数量的确定，例如以几兆赫兹或千兆赫的采样率，而在这方面不限制本发明的范围。
数字输出信号的分辨率取决于SPAD阵列中包括的SPAD的数量。例如，具有32乘32个单SPAD，即总共1024个SPAD的SPAD阵列可以实现10比特的分辨率，同时具有256乘256个单SPAD，即总共65,536个SPAD的SPAD阵列可以实现16比特的分辨率。
光学排列为转换器提供电流隔离(电气隔离)，因为所述光源和所述SPAD阵列仅仅彼此光学耦接。因此，在一些实施例中，不需要另外使用光学耦接的(或，一般来说，电流隔离的)前端放大器。
所述控制件可以被配置为基于所确定的检测到光子的SPAD的数量来输出数字(输出)信号。因此，每个预定时间间隔确定各个比特值，如上所述，由此生成比特流(其是数字输出信号)。所述数字输出信号可以以任何格式生成并且本发明不限于特定数字信号。
在一些实施例中，所述控制件被配置为校正所述输出数字信号。例如，在所述光源的强度不直接与所述模拟输入信号的水平成正比的情况下，所述控制件通过补偿光源的强度(即，所检测到的光子的数量)和模拟输入信号的水平之间的关系的非线性行为来校正数字输出信号。
另外，在一些实施例中，所述控制件被配置为检测SPAD阵列的SPAD的故障并且可以通过考虑各个SPAD的故障来校正数字输出信号。
在一些实施例中，所述控制件被配置为激活单光子雪崩二极管的所述阵列中的单光子雪崩二极管的第一子集并同时确定单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第二子集中在先前时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。SPAD的第一子集例如可以是SPAD阵列的所有SPAD的前二分之一并且SPAD的第二子集例如可以是SPAD阵列的SPAD的第二半。当然，第一和第二子集可以基于对SPAD阵列的SPAD的任何划分。例如，第一子集可以包括SPAD阵列的SPAD的40％，30％，20％等，同时第二子集可以包括SPAD阵列的SPAD的60％，70％，80％等。光学模数转换器的模式还可以称为“交织模式”，因为SPAD的第一子集的激活和SPAD的第二子集的读出暂时交织(至少部分)。因此，在第一时间间隔内，激活SPAD的第一子集，同时对于SPAD的第二子集，确定SPAD的数量，所述SPAD在第一时间间隔之前的时间间隔内检测到光子。在第二时间间隔内，在第一时间间隔之后，激活SPAD的第二子集，同时对于SPAD的第一子集，确定SPAD的数量，所述SPAD在第一时间间隔等内检测到光子。在该交织模式下，在SPAD的第一和第二子集的每一个包括SPAD阵列的SPAD的二分之一的情况下，将分辨率例如降至二分之一，但可以增加速度。例如，假设SPAD具有某个停滞时间，所述SPAD在其期间不能检测到进一步的光子。然后，SPAD的子集的第一集合的停滞时间可以用于激活SPAD的第二子集，反之亦然，由此增加光学模数转换器的速度。本发明不限于SPAD的两个子集，但还可以使用更多的子集并因此可以适应激活和确定的交织。例如，就三个子集而言，可以激活第一子集，同时读出第二子集并在第一时间间隔内重置SPAD的第三子集。在第二时间间隔内，读出第一子集，重置第二子集并激活第三子集。在第三时间间隔内，重置第一子集，激活第二子集并重置第三子集等。
同样如上所述，在一些实施例中，所述驱动器被配置为基于模拟输入信号，例如，基于模拟输入信号的水平，比如电压水平来驱动光源的强度。
而且，在一些实施例中，所述驱动器被配置为将光源的驱动范围适配为模拟输入信号的电压范围(电压水平范围)。例如，所述驱动器可以将模拟输入信号的最小电压水平映射成光源的最小强度值并将模拟输入信号的最大电压水平映射成光源的最大强度值。在一些实施例中，只有光源的最大强度水平才适应于模拟输入信号的最大水平。
如上所述，从光源发射的光子的数量与光源的强度成正比。根据所述强度以及例如根据与预定时间间隔的长度和/或SPAD阵列中包括的SPAD的数量有关的采样率，所述驱动器可以将模拟输入信号的最大水平映射成或调整成各个最大强度值，这对这种情况可以确保两个或两个以上光子入射到相同SPAD上的可能性较小(即，在某个阈值以下)。
如上所述，在一些实施例中，所述控制件进一步被配置为例如基于在检测到光子时传输的检测信号来检测单光子雪崩二极管的故障。例如，可以通过监测每个SPAD的定时器并确定所述SPAD是否在预定时间间隔内检测到光子来检测所述故障。在SPAD在预定义时间之后没有检测到光子的情况下，各个SPAD都可以被识别为具有缺陷。另外或可选地，可以驱动设置在每个SPAD中或SPAD阵列中的测试电路，所述测试电路测试SPAD的功能。同样在一些实施例中，所述光源可以被调谐并由控制件控制，并且例如用于测试SPAD阵列，可以增加所述光源的强度以使得所述SPAD阵列的所有SPAD在预定时间间隔内接收光子。由此，在预定时间间隔内没有检测到任何光子的SPAD可以被识别为具有缺陷。另一方面，可以关闭所述光源以使得不发射光子，由此可以识别有缺陷的SPAD，虽然不能检测到光子，但是所述SPAD也可传输光子检测信号，因为所述光源没有发射任何光子。
在一些实施例中，所述控制件进一步被配置为在检测到单光子雪崩二极管故障的情况下生成通知。所述通知可以包括电子信号，例如音频信号，显示器等上显示的消息信号。
所述控制件可以进一步被配置为选择性地控制单光子雪崩二极管的所述阵列的单光子雪崩二极管。例如，所述光学模数转换器的分辨率可以通过打开/关闭SPAD的阵列的单SPAD来调整，由此调整可以在预定时间间隔内检测光子的SPAD的数量并由此调整所述分辨率。
上文讨论的程序还可以在涉及一种用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法的实施例中执行。因此，上文做出的阐述完全适用于以下对用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法的实施例的描述。
在一些实施例中，用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法包括：接收模拟输入信号；基于所接收的模拟输入信号驱动被配置为发射光子的光源；在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；以及确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量，如上述详细描述。
所述方法可以进一步包括基于在预定时间间隔内检测到光子的SPAD的预定数量来输出数字信号，如上所述。
所述方法可以进一步包括校正所述输出数字信号，如上所述。
所述方法可以进一步包括激活单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第一子集并同时确定单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第二子集中在先前时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量，如上所述。
所述方法可以进一步包括基于模拟输入信号驱动光源的强度，如上所述。
所述方法可以进一步包括将所述光源的驱动范围适配为所述模拟输入信号的电压范围，如上所述，其中，所述光源的最大强度水平被适配为所述模拟输入信号的最大水平。
如上所述，在一些实施例中，可以定期重复在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以及确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的SPAD的数量。
如上所述，单光子雪崩二极管的所述阵列的单光子雪崩二极管在一些实施例中可以并行读出。
返回图1，示出了光学模数转换器1的实施例，所述光学模数转换器在作为光源的调谐发光二极管LED 2的帮助下将电子模拟输入信号8转换为数字输出信号11。
虽然在本实施例中，使用一个LED 2，但本发明在此方面不受限制并且还可以使用两个或两个以上LED。
将模拟输入信号8输入具有高输入阻抗并驱动所述LED 2的驱动器3中。所述驱动器3获得模拟输入信号8并使其电压水平范围适应于LED 2的各个强度范围并且所述驱动器3因此驱动LED 2。
LED 2生成光子9，所述光子由单光子雪崩二极管4的阵列(下文称为SPAD阵列4)检测。LED 2排列成与SPAD阵列4相距预定义距离“d”。
LED 2具有比SPAD阵列4大得多的直径以使得可以假设(作为本实施例中的近似)光子9几乎并行入射到SPAD阵列4上。所述SPAD阵列4具有排列成阵列(即排列成行和成列)的多个SPAD(单光子雪崩二极管)。在本实施例中，SPAD阵列4具有32乘32个SPAD，即1024个像素，其中，每个像素对应于一个SPAD。SPAD阵列4的每个SPAD的检测区域面向LED 2的方向，并且因此，面向入射光子9的方向。在本实施例中，只设置一个SPAD阵列4，但技术人员要了解的是还可以使用两个或两个以上SPAD阵列并且本发明在此方面不受限制。
此外，为了提高速度，在一些实施例中，可以利用时间分辨率来权衡空间分辨率。在一些实施例中，SPAD要求来自光子获取的停滞时间“t”来准备获取第二光子。在这种情况下，在停滞时间的第一部分内可以使用SPAD的子集并且在停滞时间的第二部分内可以使用另一子集。例如，可以使用SPAD阵列4的SPAD的50％以便在某个瞬间(例如，“停滞时间”t的前二分之一)获取数据，然后，稍后的“t/2”，可以使用SPAD阵列4的SPAD的其他50％(其在重新装备的过程中并且在停滞时间的前二分之一t/2内“被锁定”，因此对光子不敏感)。在该特定实例中，获取频率加倍并且比特分辨率减半。当然，本发明不限于该特定实例。
设置控制件10来控制所述光学模数转换器1，所述控制件包括读出和定时单元5，数字校正单元6，和数字输出端7。请注意，仅出于说明目的而将控制件10划分为单元5-7并且本发明不限于特定单元中功能的任意特定划分。例如，控制件10可由各个编程的处理器，场可编程门阵列(FPGA)等来实现。
读出和定时单元5耦接至SPAD阵列4并接收由SPAD阵列4的SPAD生成的光子检测信号。其生成各个时钟和采样率，SPAD阵列4根据各个时钟和采样率进行控制并读出SPAD阵列4的检测信号。在本实例中，并行读出SPAD阵列4的SPAD。
读出和定时单元5以以下方式控制SPAD阵列4，其同样在下面更详细描述的图2和图3中示出。读出和定时单元5在预定时间间隔内激活SPAD阵列4，使得其能够在预定时间间隔内检测从LED 2发射的光子9。当预定时间间隔结束时，读出和定时单元5去激活并锁定SPAD阵列4，使得SPAD阵列4没有进一步检测到光子，但现状为“固定”，且可以确定触发SPAD阵列4的哪些SPAD，即，SPAD阵列4的哪些SPAD检测到光子。这通过接收SPAD阵列4的每个SPAD的各个光子检测信号来完成并由此统计入射光子触发了多少SPAD。在读出时间内，使SPAD阵列4去激活。在终止读出SPAD阵列4并确定已经检测到光子的SPAD的数量之后，可以再次激活SPAD阵列4并重复该程序。
由此，在每个预定时间间隔内将模拟输入信号8的电压水平转换为SPAD的各个数量。可以将在预定时间间隔内检测到光子的SPAD的数量转化为各个比特数量，由此将模拟输入信号的水平转换为数字。
该程序同样在图2中示出，其中示例性地示出了模拟输入信号8。在该实例中，模拟输入信号8的电压水平由驱动器3调整到与LED 2的强度范围对应的0V和1V之间的电压水平范围，这会导致0(无)和1024(所有)之间的SPAD阵列4的大量触发“像素”，即单SPAD，即0V的电压水平对应于0个像素的数量，同时1V的电压水平对应于1024个像素的数量。图2的纵坐标示出了已经由LED 2(其以模拟输入信号8的各个电压水平进行驱动)发射的光子触发的SPAD阵列4的像素的数量N，横坐标示出了时间。
图2还示出了预定时间间隔t1，t2，…，t12，所述SPAD阵列4在所述时间间隔内被激活并且在所述时间间隔内检测到由LED 2发射的光子。每个时间间隔t1，t2，…，t12都具有相同的长度。在预定时间间隔t1，t2，…，t12内，控制件10，即读出和定时电路5，统计在各个时间间隔t1，t2，…，t12内触发多少像素，即SPAD阵列4的单SPAD。在图2中将将在各个时间间隔内触发的像素的数量标记为数据点并在图2的纵坐标上将触发的SPAD的各个数量标记为n1，n2，…，n12。
读出和定时电路5在第一时间间隔t1内激活SPAD阵列4。在第一时间间隔t1到期之后，读出和定时电路5确定在第一时间间隔t1内检测到光子的SPAD的数量，在图2的实例中该数量为数量n1。然后，所述读出和定时电路5在第二时间间隔t2内激活SPAD阵列4。在第二时间间隔t2到期之后，所述读出和定时电路5确定在第二时间间隔t2内检测到光子的SPAD的数量，在图2的实例中该数量是数量n2，依次类推。
在两个连续预定时间间隔之间的时间间隔内，例如，在第一时间间隔t1和第二时间间隔t2之间的时间间隔内，所述SPAD阵列4被锁定并被去激活以使得其没有进一步检测光子，但可以传输已经触发哪些和/或多少SPAD的各个信息。
当然，图2仅出于说明目的并且本发明不限于此特定实例。
SPAD在一些实施例中能够在纳秒区域或甚至以下的区域中的时间间隔内进行驱动，并且可以获得良好的分辨率。
由所述读出和定时单元5生成的时钟信号的时钟频率，以及因此模拟输入信号利用其进行采样并转换为数字输出信号的采样率在一些实施例中可以适应，例如，响应于用户输入和/或根据针对调谐LED 2调整的强度。在本实例中，采样率大约为1GHz(而在此方面不限制本发明)。
在调整LED 2的高强度的情况下，可以增加时钟信号的频率以便能够相应溶解不同的所检测到的光子。LED 2的强度可以由还耦接至LED 2的读出和定时单元5调整。在一些实施例中，所述读出和定时单元5还可以根据SPAD阵列4的SPAD的停滞时间来调整LED 2的强度。在本实施例中，SPAD阵列4的SPAD具有相同或至少几乎相同的停滞时间，使得可以忽略SPAD阵列4的SPAD的停滞时间。
所述读出和定时单元5生成各个二进制值，即，比特，如上所讨论，例如，表示已经触发的SPAD的数量，反之表示在各个预定时间间隔内的模拟输入信号8的电压水平，并且其将数字信号输出到数字校正单元6中。
数字校正单元6在本实施例中通过补偿LED 2的强度(以及因此，检测到光子的SPAD的相关联数量)和模拟输入信号8的电压水平之间的非线性行为来执行数字校正并且其使在校正之后馈送至数字输出单元7的数字输出信号线性化。
数字输出单元7将从数字校正单元6接收的数字信号转化为适应于特定目的的各个格式并将其输出作为数字输出信号11。
光源，比如LED 2，以及SPAD阵列4可以彼此适配，以使得例如，所述SPAD阵列4在其最大增益点进行驱动并且LED 2在其最大速度点进行驱动。SPAD的最大增益点通常取决于能量，即，入射光子的波长。因此，光源和SPAD阵列的组合可以相对于性能和成本之间的折中而进行微调。
在图1和图2的实施例中，实现了1GHz下10比特的分辨率。同样如上所述，例如，当使用256乘256个SPAD的SPAD阵列时，例如可以在1GHz下实现16比特的分辨率，本发明在此方面不受限制并且技术人员要了解的是SPAD阵列的SPAD的数量以及采样率可以相对于特定任务和目的而适应。
在下文中，对一种用于将模拟输入信号，比如图1的模拟输入信号8，光学转换为数字输出信号，比如图1的数字输出信号11，的方法20进行阐述。当然，上文做出的阐述同样适用于所述方法20。
在21中，例如由驱动器3接收模拟输入信号，如上所讨论。
在22中，光源，比如上述LED 2，基于所接收的模拟输入信号的水平来驱动，如上所讨论。
在23中，在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的阵列，比如SPAD阵列4，以使得其在预定时间间隔内检测由光源提供的光子，如上所讨论。
在24中，确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量，并在25中生成各个数字输出信号，其可以在26中进行校正，如上文详细描述。
同样如上文详细描述，方法20可以定期在23和24中重复，如图3中的各个箭头所指示。
注意，本技术的配置还可以如下所述。
(1)一种光学模数转换器，包括：
被配置为发射光子的光源；
被配置为接收模拟输入信号并基于所述模拟输入信号驱动所述光源的驱动器；
被配置为检测由所述光源提供的光子的单光子雪崩二极管的阵列；以及耦接至单光子雪崩二极管的阵列的控制件，所述控制件被配置为：
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；并
确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
(2)如(1)所述的光学模数转换器，其中，所述控制件进一步被配置为基于所确定的单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量来输出数字信号。
(3)如(2)所述的光学模数转换器，其中，所述控制件进一步被配置为校正所输出的数字信号。
(4)如(1)至(3)中任一项所述的光学模数转换器，其中，所述光源包括发光二极管和激光二极管中的至少一个。
(5)如(1)至(4)中任一项所述的光学模数转换器，其中，所述控制件被配置为激活单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第一子集并同时确定单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第二子集中在先前时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
(6)如(1)至(5)中任一项所述的光学模数转换器，其中，所述驱动器被配置为基于所述模拟输入信号来驱动所述光源的强度。
(7)如(1)至(6)中任一项所述的光学模数转换器，其中，所述驱动器被配置为将所述光源的驱动范围适配为所述模拟输入信号的电压范围。
(8)如(1)至(7)中任一项所述的光学模数转换器，其中，所述光源的最大强度水平被适配为所述模拟输入信号的最大水平。
(9)如(1)至(8)中任一项所述的光学模数转换器，其中，所述控制件进一步被配置为定期地：
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的阵列以使得单光子雪崩二极管的阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；并
确定单光子雪崩二极管中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
(10)如(1)至(9)中任一项所述的光学模数转换器，其中，并行读出单光子雪崩二极管的所述阵列中的单光子雪崩二极管。
(11)一种用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法，包括：
接收模拟输入信号；
基于所接收的模拟输入信号驱动被配置为发射光子的光源；
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；以及
确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
(12)如(11)所述的方法，进一步包括基于所确定的单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量来输出数字信号。
(13)如(12)所述的方法，进一步包括校正所输出的数字信号。
(14)如(11)至(13)中任一项所述的方法，其中，所述光源包括发光二极管和激光二极管中的至少一个。
(15)如(11)至(14)中任一项所述的方法，其中，激活单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第一子集并同时确定单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第二子集中在先前时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
(16)如(11)至(15)中任一项所述的方法，进一步包括基于所述模拟输入信号来驱动所述光源的强度。
(17)如(11)至(16)中任一项所述的方法，进一步包括将所述光源的驱动范围适配为所述模拟输入信号的电压范围。
(18)如(11)至(17)中任一项所述的方法，其中，所述光源的最大强度水平被适配为所述模拟输入信号的最大水平。
(19)如(11)至(18)中任一项所述的方法，进一步包括定期地：
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的阵列以使得单光子雪崩二极管的阵列在预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；并
确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
(20)如(11)至(19)中任一项所述的方法，其中，并行读出单光子雪崩二极管的所述阵列中的单光子雪崩二极管。
(21)一种计算机程序，包括当在计算机上执行时，使计算机执行根据(11)至(20)中任一项所述的方法的程序代码。
(22)一种非瞬态计算机可读记录介质，其中存储有计算机程序产品，当由处理器执行时，所述计算机程序产品使根据(11)至(20)中任一项所述的方法被执行。

Claims (20)

1.一种光学模数转换器，包括：
光源，被配置为发射光子；
驱动器，被配置为接收模拟输入信号并基于所述模拟输入信号驱动所述光源；
单光子雪崩二极管的阵列，被配置为检测由所述光源提供的所述光子；以及
控制件，耦接至单光子雪崩二极管的所述阵列，所述控制件被配置为：
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在所述预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；并且
确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在所述预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
2.如权利要求1所述的光学模数转换器，其中，所述控制件进一步被配置为基于所确定的单光子雪崩二极管的所述阵列中在所述预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量来输出数字信号。
3.如权利要求2所述的光学模数转换器，其中，所述控制件进一步被配置为校正所输出的数字信号。
4.如权利要求1所述的光学模数转换器，其中，所述光源包括发光二极管和激光二极管中的至少一个。
5.如权利要求1所述的光学模数转换器，其中，所述控制件被配置为激活单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第一子集并同时确定单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第二子集中在先前时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
6.如权利要求1所述的光学模数转换器，其中，所述驱动器被配置为基于所述模拟输入信号来驱动所述光源的强度。
7.如权利要求6所述的光学模数转换器，其中，所述驱动器被配置为将所述光源的驱动范围适配为所述模拟输入信号的电压范围。
8.如权利要求7所述的光学模数转换器，其中，所述光源的最大强度水平被适配为所述模拟输入信号的最大水平。
9.如权利要求1所述的光学模数转换器，其中，所述控制件进一步被配置为定期地：
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在所述预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；并且
确定单光子雪崩二极管中在所述预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
10.如权利要求1所述的光学模数转换器，其中，并行读出单光子雪崩二极管的所述阵列中的所述单光子雪崩二极管。
11.一种用于将模拟输入信号光学转换为数字输出信号的方法，包括：
接收模拟输入信号；
基于所接收的模拟输入信号驱动被配置为发射光子的光源；
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在所述预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；以及
确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在所述预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括基于所确定的单光子雪崩二极管的所述阵列中在所述预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量来输出数字信号。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括校正所输出的数字信号。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述光源包括发光二极管和激光二极管中的至少一个。
15.如权利要求11所述的方法，其中，激活单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第一子集并同时确定单光子雪崩二极管的所述阵列中单光子雪崩二极管的第二子集中在先前时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
16.如权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述模拟输入信号来驱动所述光源的强度。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括将所述光源的驱动范围适配为所述模拟输入信号的电压范围。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述光源的最大强度水平被适配为所述模拟输入信号的最大水平。
19.如权利要求11所述的方法，进一步包括定期地：
在预定时间间隔内激活单光子雪崩二极管的所述阵列以使得单光子雪崩二极管的所述阵列在所述预定时间间隔内检测由所述光源提供的光子；并
确定单光子雪崩二极管的所述阵列中在预定时间间隔内检测到光子的单光子雪崩二极管的数量。
20.如权利要求11所述的方法，其中，并行读出单光子雪崩二极管的所述阵列中的所述单光子雪崩二极管。
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