CN113766871A - 具有低功率的时间数字转换器架构的光电检测器系统 - Google Patents

具有低功率的时间数字转换器架构的光电检测器系统 Download PDF

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Abstract

示例性光电检测器系统包括光电检测器和耦合到光电检测器的时间到数字转换器(TDC)。TDC被配置为在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间，接收由其中光电检测器在光脉冲从目标反射之后检测到光脉冲的光子的事件触发的信号。TDC还被配置为响应于接收信号，使TDC的门控环形振荡器(GRO)能够使用GRO来测量在事件发生时到预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔，并基于该时间间隔和预定事件检测时间窗口来确定光子在光电检测器处的到达时间。

Description

具有低功率的时间数字转换器架构的光电检测器系统
相关申请
本申请要求2019年9月26日提交的美国临时专利申请No.62/906,620和2019年6月6日提交的美国临时专利申请No.62/858,029的优先权。这些申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。
背景技术
检测大脑中的神经活动对于医学诊断、成像、神经工程、脑机接口以及各种其它诊断和消费者相关的应用非常有用。例如，可能需要检测患者大脑中的神经活动以确定大脑的特定区域是否受到血液灌流减少、出血或任何其它类型的损伤的影响。作为另一示例，可能需要检测用户大脑中的神经活动，并将检测到的神经活动计算解码为可用于控制各种类型的消费者电子产品的命令(例如，通过控制计算机屏幕上的光标，改变电视频道，开灯等)。
能够检测单个光子(即，光能的单个粒子)的光电检测器是可以用于检测大脑内神经活动的非侵入性检测器的示例。例如，这些敏感的光电检测器的阵列可以记录响应于一个或多个光脉冲的应用而从大脑内组织反射的光子。基于光电检测器检测到光子所需的时间，可以确定或推断大脑的神经活动和其它属性。
时间数字转换器(TDC)与光电检测器结合使用以将定时事件或定时间隔(例如，在向目标施加光脉冲之后由光电检测器检测到光脉冲的光子所花费的时间量)转换为数字表示。传统上，锁相环或延迟锁定环用于提供相位和延迟信息以捕获具有特定的定时分辨率的数字化值。然而，同步TDC和/或TDC的组件可能消耗相对大量的功率。
附图说明
附图示出各种实施例并且是说明书的一部分。所示出的实施例仅是示例并且不限制本公开内容的范围。在整个附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。
图1示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器。
图2示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统。
图3示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的光电检测器的示例性定时图。
图4-8示出根据本文描述的原理的用于低功率TDC架构的组件的示例性电路。
图9A示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统。
图9B示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统的示例性定时图。
图10A示出根据本文描述的原理的具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统。
图10B示出根据本文描述的原理的包括具有低功率TDC架构的光电检测器系统的示例性可穿戴设备。
图11示出根据本文描述的原理的示例性方法。
图12示出根据本文描述的原理的示例性计算设备。
具体实施方式
本文描述了具有低功率TDC架构的光电检测器系统。本文描述的系统包括光电检测器、耦合到光电检测器的TDC以及耦合到TDC的控制电路。TDC被配置为在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间接收由其中光电检测器在光脉冲从目标反射之后检测到光脉冲的光子的事件触发的信号，该信号被配置为启用TDC的门控环形振荡器(GRO)。TDC还被配置为使用GRO测量事件发生时和预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔。控制电路被配置为基于时间间隔和预定事件检测时间窗口来确定光子在光电检测器处的到达时间。
由于本文描述的TDC架构响应于检测到光子的事件启用GRO和/或TDC的其它组件，因此TDC架构可以保存功率直到这样的事件发生。对于包括多个光电检测器的光电检测器系统，其中光电检测器中的许多光电检测器相对不频繁地检测到光子，与传统光电检测器系统相比，这样的事件驱动的TDC架构可能导致功耗的显著降低。此外，由于TDC被禁用和启用，传统上用于同步多个TDC的组件可能是不必要的，从而导致进一步减少功率使用以及减少系统面积。通过以下详细描述，可以由本文描述的系统和方法提供的这些和其它益处和/或优点将变得显而易见。
图1示出具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统102。如图所示，光电检测器系统102包括光电检测器104、控制电路106和TDC 108。在一些示例中，光电检测器系统102可以包括更多、更少和/或不同的组件。例如，光电检测器系统102可以包括多个光电检测器、与光电检测器对应的多个TDC以及用于光电检测器和TDC的一个或多个控制电路。
光电检测器104可以由任何合适的电路实现，该电路被配置为检测入射到光电检测器104上的光的各个光子。例如，光电检测器104可以通过包括单光子雪崩二极管(SPAD)的SPAD电路和被配置为一起操作以检测入射到SPAD上的光子的快速门控电路实现。当SPAD检测到光子时，光电检测器104可以生成输出。
TDC 108被配置为测量在出现光脉冲与出现由光电检测器104生成的输出信号之间的时间差，该输出信号指示SPAD电路104在从目标反射光脉冲之后检测到来自光脉冲的光子。本文描述了TDC 108的示例实现方式。
控制电路106可以由专用集成电路(ASIC)或被配置为控制光电检测器104(例如，SPAD电路)和TDC 108内的各种组件的操作的任何其它合适的电路来实现。
例如，控制电路106可以输出控制逻辑，该控制逻辑控制SPAD电路内的一个或多个开关的操作以选择性地将包含于光电检测器104中的SPAD置于待命或者拒绝状态(例如，通过选择性地对SPAD电路中的电容器充电)。在一些示例中，控制电路106可以控制门延迟，其指定控制电路106在出现光脉冲(例如，激光脉冲)之后等待以将SPAD置于待命状态的预定时间量。为此，控制电路106可以接收光脉冲定时信息，该信息指示光脉冲发生的时间(例如，光脉冲被施加到诸如大脑内的组织的目标的时间)。控制电路106还可以控制可编程门宽度，其指定SPAD在被拒绝之前保持在待命状态多长时间。例如，控制电路106可以在预定的事件检测时间窗口内将SPAD保持在待命状态。
控制电路106还可以被配置为控制TDC 108的操作。例如，如本文所述，控制电路106可以生成用于启用和/或禁用TDC 108内的GRO和/或其它组件的一个或多个信号。
控制电路106还可以被配置为对TDC 108输出的数据执行一个或多个信号处理操作。例如，信号处理电路110可以基于TDC 108输出的数据并根据由控制电路106访问的直方图参数(例如，时间段、光脉冲的数量、直方图的类型等)来生成直方图数据。为了说明，控制电路106可以基于TDC 108输出的数据来生成、存储、传输、压缩、分析、解码和/或以其它方式处理直方图。在一些示例中，信号处理操作可以由单独的另外的组件执行。
图2示出具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统200。光电检测器系统200包括光电检测器像素202(例如，光电检测器像素1 202-1到光电检测器像素N 202-N)。光电检测器像素202中的每个光电检测器像素202(比如光电检测器像素202-1)包括SPAD电路204和TDC 206。TDC 206包括GRO 208、计数器210和偏置生成器212。偏置生成器212可以接收来自锁相环(PLL)214的信号。光电检测器系统200还包括对应于一个或多个光电检测器像素202和存储器218的控制电路216(例如，控制电路106的实现方式)。
SPAD电路204(例如，光电检测器104的实现方式)可以包括SPAD和被配置为装备和解除装备SPAD的快速门控电路。快速门控电路还可以被配置为输出由SPAD检测到光子的事件触发的信号。该信号被配置为在TDC 206接收到信号时启用TDC 206的GRO。例如，可以基于从SPAD电路204接收到的信号来启用GRO 208。TDC 206可以使用GRO 208(连同其它组件，比如计数器210和/或偏置生成器212)来确定光子在SPAD处的到达时间。例如，TDC 206可以基于如图3所示的示例性定时图300来确定光子的到达时间。
定时图300描绘了事件窗口脉冲波302，其示出了预定事件检测时间窗口304，比如第一预定事件检测时间窗口304-1(长度为“c”)和第二预定事件检测时间窗口304-2。响应于施加到目标的光脉冲，可以由控制电路216生成预定事件检测时间窗口304。预定事件检测时间窗口304可以对应于SPAD被装备和启用以检测光脉冲的光子的时间长度。预定事件检测时间窗口304可以在各个光脉冲之后开始。如上所述，在一些示例中，预定事件检测时间窗口304可以在各个光脉冲之后的指定延迟之后开始。在其它示例中，预定事件检测时间窗口304可以在相应的光脉冲之后基本上立即开始。
事件脉冲波306示出了SPAD电路204检测到光子的事件308。如图所示，事件308在第一预定事件检测时间窗口304-1期间发生。事件308可以触发由SPAD电路204输出并由TDC206接收的信号。基于接收到的信号，GRO 208可以被启用以测量在发生事件308的时间和第一预定事件检测时间窗口304-1的结束之间的时间间隔。该时间间隔由事件测量脉冲波310的事件测量值312(长度为“a”)示出。定时图300还包括计数器脉冲波318，其示出计数器210的值，该值对应于由GRO 208确定的测量值。例如，第一计数320对应于事件测量312，并且提供与时间间隔“a”成比例的数字值Ca。因此，TDC 206可以基于Ca和第一预定事件检测时间窗口304-1的已知长度“c”来确定光子在事件308处的到达时间，其对应于(c-a)。
此外，定时图300包括校准测量脉冲波314，其示出长度为“b”的校准测量316。校准测量316可以使用GRO 208来测量以提供用于确定光子在事件308处的到达时间的校准因子。例如，使用GRO 208，TDC 206可以测量校准窗口，其可以由控制电路216生成。计数器脉冲波318示出对应于校准测量316的计数器210的第二计数322。第二计数322提供与时间间隔“b”成比例的数字值Cb。使用Cb，TDC 206可以校准GRO 208，并且进一步基于Cb来确定光子在事件308处的到达时间。例如，TDC 206可以基于诸如以下等式来确定到达时间
Figure BDA0003322939110000051
其中Tc-a是光子在事件308处的到达时间，以及Tc是第一预定事件检测时间窗口(例如，事件检测时间窗口304-1)的时间。由于预定的事件检测时间窗口和校准窗口可以由控制电路216生成，所以这些窗口的长度可以是已知量并且也可以被设置为相同的长度，使得b＝c。
使用如定时图300所示的这种示例性信号定时，TDC 206可以实现为基于事件的TDC和/或包括基于事件的组件。例如，光电检测器系统200(例如，控制电路216、TDC 206)可以保持GRO 208禁用直到事件308发生(和/或TDC 206可以用GRO 208禁用)，这可以节省功率，特别是对于其中事件相对不频繁的应用。光电检测器系统200可以在接收到由事件308触发的来自SPAD电路204的信号时启用GRO 208，并且使用GRO 208确定光子在事件308处的到达时间。在确定之后，光电检测器系统200可以禁用GRO 208直到通过检测到光子和/或校准测量而触发另一事件。另外地或替代地，光电检测器系统200可以保持GRO 208启用以执行对GRO 208的校准。可以以任何合适的频率执行这样的校准测量，诸如在每个事件测量之后、在特定数量的事件测量之后、在指自上次校准以来已经过去的指定时间量等。
在一些示例中，GRO 208可以用于确定事件308的定时的精细计数，而PLL 214向偏置生成器212提供信号以提供过程计数。PLL 214可以被锁定到外部参考时钟，以及向偏置生成器212提供模拟电压。在其它示例中，可以在没有PLL 214和/或偏置生成器212的情况下实现光电检测器系统200。在这样的示例中，GRO 208可以自由运行，由数字使能信号确定开始和停止。GRO 208的示例在本文中描述。
图4示出实现偏置生成器(例如，偏置生成器212)的示例性电路400。电路400包括参考电流源402，诸如从PLL 214接收到的参考。电路400示出由使能信号404门控的电流镜。当SPAD电路204检测到光子时，使能信号404可以是响应于事件308提供的模拟信号。当接收到使能信号404时，电路400可以经由第一输出PBIAS 406和第二输出NBIAS 408来生成模拟偏置以提供给GRO 208。相反，当使能信号404停止时，电路400可以停止向GRO 208提供模拟偏置。
图5示出实现被配置为与偏置生成器(例如，偏置生成器212)一起操作的GRO(例如，GRO 208)的逆变器的示例性电路500。电路500示出被配置为在输入502处接收信号并在输出504处生成反相信号的逆变器。GRO 208可以包括耦合的多个逆变器，使得一个逆变器的输出504连接到下一逆变器的输入502，从而形成逆变器环。电路500示出被配置为经由第一输入PBIAS 506和第二输入NBIAS 508从偏置生成器212接收模拟偏置的电流匮乏逆变器。电路500还包括下拉晶体管510以针对逆变器实现三态输出(例如，高阻抗状态)。此外，下拉晶体管510还可以被配置为初始化电路500的状态，使得GRO 208每次以相同的初始化状态开始。
在接收模拟偏置的同时，GRO 208可以振荡，向计数器(例如，计数器210)提供信号，该信号可以用于确定时间的数字表示，比如光子的到达时间。一旦模拟偏置停止，GRO208就可以被禁用并且GRO 208的逆变器进入高阻抗状态。GRO 208还可以包括被配置为存储GRO 208的值的组件，如图6所示。
图6示出实现GRO(例如，GRO 208)的示例性电路600。电路600示出多个级602(例如，级602-1至级602-N)。虽然级602被示出为耦合到下一级，但是级602-N也可以耦合到级602-1以形成级602的环。
级602中的每个级(比如级602-1)包括一对电流匮乏逆变器604(例如，电流匮乏逆变器604-1和604-2)。电流匮乏逆变器604可以由图5的电路500实现。如所描述的，电流匮乏逆变器604可以接收值作为输入，并且提供该值的反转作为输出(例如，低到高或高到低)。此外，电流匮乏逆变器604可以是三态逆变器，被配置为在GRO 208被禁用时输出高阻抗状态。级602-1还包括一对交叉耦合逆变器606，其被配置为在GRO 208被禁用时存储级602-1的值。以这种方式，每一级602的状态以及因此GRO 208的状态可以由交叉耦合逆变器606在内部锁存。锁存的值可以被解码以确定TDC 206的精细计数器值。通过禁用GRO 208使得GRO208停止振荡，可以在没有任何另外的电路的情况下门控过程计数器(例如，PLL 214)。
图7示出实现GRO(例如，GRO 208)的另一逆变器的示例性电路700。电路700也可以是电路600的电流匮乏逆变器604的实现方式。类似于电路500，电路700示出被配置为在输入702处接收信号并在输出704处生成反信号的逆变器。逆变器也可以是耦合在环中以实现GRO 208的多个逆变器中的一个逆变器。然而，电路700包括第一输入706和第二输入708，其被配置为接收数字使能信号，该信号打开和关闭逆变器并因此打开和关闭GRO 208。电路700还包括下拉晶体管710以在GRO 208被禁用时实现三态输出(例如，高阻抗状态)。
电路700可以实现GRO 208以被配置为在自由运行状态下操作，而无需外部PLL和/或偏置生成器。与具有此类组件的架构相比，没有此类组件的GRO架构可以允许减少布局面积和功耗。然而，在没有由外部PLL提供的反馈机制的情况下，GRO 208的逆变器之间(以及跨越多个GRO)的过程、电压和温度(PVT)变化可能会很显著，从而影响GRO 208提供的测量。但是在具有如本文所述的校准过程的情况下，这种变化的影响可以被最小化或抵消。
图8示出用于低功率TDC架构的示例性电路800。电路800示出用于确定诸如光电检测器对光子的检测的事件的到达时间的实现方式。电路800包括GRO 208。GRO 208提供对应于事件测量(Ca)的测量输出和对应于校准测量(Cb)的校准输出。校准测量由查找表(LUT)组件802接收。LUT组件802接收Cb的值，查找对应于1/Cb的值，以及将1/Cb作为输出提供给乘法组件804。乘法组件804接收来自LUT组件802的1/Cb和来自GRO 208的Ca并将两个输入相乘。对应于Ca/Cb的乘积被提供给逐位逆变组件806，其计算1减去Ca/Cb并提供最终结果。最终结果对应于事件的时间，如上面的等式1所定义的。
虽然电路800示出用于计算等式1的一个示例实现方式，但是可以使用任何合适的组件组合来确定相同的结果。例如，可以使用查找表来执行本文描述的计算中的每个和/或所有计算。替代地或另外地，可以在没有查找表的情况下使用被配置为执行除法的组件连同被配置为执行乘法的组件和被配置为执行减法的组件来执行计算。此外，可以执行输入处理以降低计算复杂度，诸如使用用于过程锁定的PLL以减少PVT可变性的影响并减少校准和事件测量的潜在范围。另外地或替代地，可以对每个GRO 208执行初始修整以设置GRO208的操作频率，从而减少GRO之间的变化。另外地或替代地，LUT组件802可以使用只读存储器(ROM)来实现以减少功率和面积。
图9A示出具有低功率TDC架构的示例性光电检测器系统900。光电检测器系统900包括像素阵列902，其包括像素子阵列904(例如，像素子阵列904-1和904-2)。像素子阵列904向多个GRO 906输出与事件(例如，子阵列中的像素对光子的检测)和事件窗口(例如，预定事件检测时间窗口)对应的信号。例如，像素子阵列904-1可以向多个GRO 906的第一GRO(和/或GRO的第一子集)输出与第一事件和第一事件窗口对应的信号。像素子阵列904-2可以向多个GRO 906的第二GRO(和/或GRO的第二子集)输出与第二事件和第二事件窗口对应的信号。然而，取决于子阵列和光电检测器系统900中的对应GRO之间的距离，可能存在布局延迟。这种布局延迟可能会导致对事件定时的错误确定。通过将对应于事件窗口的信号连同对应于事件的信号一起输出，光电检测器系统900可以被配置为校正布局延迟。
例如，图9B示出光电检测器系统900的定时图920，其示出了布局延迟的校正。在该示例中，第一事件和第二事件可能在彼此相对接近的时间到达，使得两个时间应该被分组到相同的时间段中。然而，由于布局延迟，第二事件可能比第一事件更早被GRO 906接收到，如第二事件脉冲波924和第一事件脉冲波928所示。通过为对应的事件窗口提供信号，光电检测器系统900可以确定相对于事件窗口的事件定时以补偿布局延迟。如定时图920所示，第二事件窗口脉冲波922示出第二事件窗口早于第一事件窗口脉冲波926中的第一事件窗口到达。通过事件窗口的到达时间之间的不同或者通过确定事件相对于事件窗口的定时，可以纠正这种布局延迟。
此外，由于本文描述的光电检测器系统包括用于每个SPAD电路或SPAD电路的子集的TDC，因此可以改进用于这种光电检测器系统的功能测试过程。多个TDC可以允许同时和/或并行地测试一些或所有SPAD电路，从而允许光电检测器系统在系统启动和/或大量成品率测试期间测试暗计数率。
图10A示出可以根据本文描述的系统和方法使用的示例性光电检测器系统1000。光电检测器系统1000可以实现本文所述的光电检测器系统中的任何光电检测器系统。如图所示，光电检测器系统1000包括光源1002和设置在印刷电路板(PCB)1006上的多个SPAD电路1004(即，SPAD电路1004-1至1004-16)。替代地，SPAD电路1004(和光电检测器系统1000的其它组件)可以设置在ASIC上。光电检测器系统1000还包括SPAD 1004共用的控制电路1008、SPAD 1004共用的信号处理电路1010和包括多个TDC(如本文所述)的TDC阵列1012，每个TDC对应于SPAD电路1004之一。如图10A所示，控制电路1008、信号处理电路1010和TDC阵列1012均可以设置在PCB 1006上，或位于光电检测器系统1000内的别处。每个SPAD电路1004与包含于TDC阵列1012中的TDC、控制电路1008和信号处理电路1004相组合可以实现特定的光电检测器。因此，可以说光电检测器系统1000包括光电检测器阵列。
光源1002可以被配置为生成一个或多个波长的一个或多个光脉冲，该光脉冲可以应用于期望的目标(例如，大脑内的目标)。光源1002可以由组件的任何合适的组合来实现。例如，光源1002可以由生成激光脉冲的激光源实现。光源可以在PCB 1006上或在PCB 1006外部实现。
SPAD电路1004可以被配置为在光子从目标(例如，用户内部的目标，诸如大脑组织)反射或散射之后检测由光源1002生成的光脉冲的光子。SPAD电路1004还可以用于检测由于环境光而从任何物体反射的光子以用于成像应用。在这种情况下，不需要光源1002，因为光子是由环境光或另一光源生成的。
如图所示，SPAD电路1004在PCB 1006上以四乘四的阵列布置。例如，每个SPAD电路1004的定位可以对应于像素阵列内的像素。SPAD电路1004可以替代地以任何合适的方式布置。虽然在图10A中示出了16个SPAD电路1004，但是将认识到在光电检测器系统1000中可以包括任何数量的SPAD电路1004。
控制电路1008可以在功能上类似于控制电路106，并且可以被配置为控制SPAD电路1008中的每个SPAD电路1008。信号处理电路1010可以在功能上类似于信号处理电路110，并且可以被配置为处理SPAD电路中的每个SPAD电路1004的信号输出。TDC阵列1012可以包括多个TDC，每个TDC类似于TDC 108并且被配置为测量在出现光脉冲1002和输出由SPAD电路1004中的每个SPAD电路1004生成的脉冲之间的时间差。
光电检测器系统1000可以由任何合适的设备实现或包括。例如，光电检测器系统1000可以包含于用户可以佩戴以执行一个或多个诊断、成像和/或消费者相关操作的非侵入性可穿戴设备中。
为了说明，图10B示出实现光电检测器系统的示例性非侵入性可穿戴大脑接口系统1020(“大脑接口系统1020”)，其可以类似于光电检测器系统1000。如图所示，大脑接口系统1020包括被配置为附接到用户头部的可头戴的组件1022。可头戴的组件1022可以通过戴在用户头部的帽形来实现。可头戴的组件1022的替代的实现方式包括头盔、无檐小便帽、头带、其它帽子形状或者适合佩戴在用户头部的其它形式等。可头戴的组件1022可以由任何合适的布、软聚合物、塑料、硬壳和/或可以用于特定的实现方式的任何其它合适的材料制成。在美国专利No.10,340,408中更全面地描述了与可穿戴大脑接口系统一起使用的头盔的示例，该专利通过引用整体并入本文。
可头戴的组件1022包括多个光电检测器1024和多个被配置为生成光脉冲的光源1026。将认识到，在一些替代实施例中，可头戴的组件1022可以包括单个光电检测器1024和/或单个光源1026。例如，大脑接口系统1020可以用于控制光路和用于将光电检测器像素测量值转换为代表大脑组织区域的光学特性的强度值。与仅对浅表组织结构或通过光学透明结构成像的传统成像系统和方法(例如，光学相干断层扫描(OCT))相比，大脑接口系统1020允许通过从源自光源1026到用户的大脑内的目标位置的光子提取数据来光学检测通过皮肤和骨头的深度解剖位置。
大脑接口系统1020还可以包括处理器1028，其被配置为通过通信链路1030与光电检测器1024和光源1026进行通信(例如，控制和/或从其接收信号)。通信链路1030可以包括任何合适的有线和/或无线通信链路。处理器1028可以包括任何合适的壳体，并且可以根据需要位于用户的头皮、颈部、肩部、胸部或手臂上。在一些变型中，处理器1028可以与光电检测器1024和光源1026整合在同一组件壳体中。
如图所示，大脑接口系统1020可以可选地包括与处理器1028通信的远程处理器1032。例如，远程处理器1032可以存储来自光电检测器1024和/或处理器1028的来自先前检测会话和/或来自多个大脑接口系统(未示出)的测量数据。可以经由可穿戴电池(未示出)为光电检测器1024、光源1026和/或处理器1028提供电力。在一些示例中，处理器1028和电池可以封装在单个壳体中，并且携带来自处理器1028和电池的电力信号的电线可以延伸到光电检测器1024和光源1026。替代地，可以无线地提供电力(例如，通过感应)。
在一些替代实施例中，可头戴的组件1022不包括单独的光源。相反，被配置为生成被光电检测器1024检测到的光的光源可以包含于大脑接口系统1020中的别处。例如，光源可以包含于处理器1028中，并且通过电连接耦合到光电检测器单元1024。
本文描述的每个光源可以由任何合适的设备来实现。例如，本文使用的光源可以是例如分布式反馈(DFB)激光器、超发光二极管(SLD)、发光二极管(LED)、二极管泵浦固态(DPSS)激光器、激光二极管(LD)、超辐射发光二极管(sLED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、钛蓝宝石激光器、微型发光二极管(mLED)和/或任何其它合适的激光或光源。
图10A所示的光电检测器系统1000可以替代地包含于不可穿戴设备中(例如，医疗设备和/或消费者设备，其被放置在用户的头部或其它身体部位附近以执行一个或多个诊断、成像和/或消费者相关的操作)。光电检测器系统1000可以替代地包含于可穿戴侵入性设备(例如，用于大脑记录和成像的可植入医疗设备)的子组件外壳中。
任何合适的SPAD电路可以用于本文所述的光电检测器架构中。本文描述的SPAD电路中的一些SPAD电路利用电容器(或在一些情况下，利用SPAD本身的寄生电容)门控，该电容器在提供命令以装备SPAD之前用偏置电压预充电。这在美国专利No.10,158,038中进行了更全面的描述，该专利整体以引用方式并入上文。
图11示出用于使用具有低功率TDC架构的光电检测器系统(例如，本文所述的任何光电检测器系统)来测量时间间隔的示例性方法1100。虽然图11示出根据一个实施例的示例性操作，但是其它实施例可以省略、添加、重新排序和/或修改图11中所示的操作中的任何操作。
在操作1102中，TDC在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间接收由其中光电检测器在光脉冲从目标反射之后检测到光脉冲的光子的事件触发的信号，该信号被配置为启用TDC的GRO。操作1102可以以本文描述的方式中的任何方式来执行。
在操作1104中，TDC使用GRO测量在事件发生时和预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔。操作1104可以以本文描述的方式中的任何方式来执行。
在操作1106中，耦合到TDC的控制电路基于时间间隔和预定事件检测时间窗口来确定光子在光电检测器处的到达时间。操作1106可以以本文描述的方式中的任何方式来执行。
图12示出示例性计算设备1200，该计算设备1200可以被具体配置为执行本文描述的过程中的一个或多个过程。如图12所示，计算设备1200可以包括经由通信基础设施1210彼此通信连接的通信接口1202、处理器1204、存储设备1206和输入/输出(“I/O”)模块1208。当图12中示出示例性计算设备1200时，图12中所示的组件并非旨在进行限制。在其它实施例中可以使用另外的或替代的组件。图12中所示的计算设备1200的组件现在将以另外的细节进行描述。
通信接口1202可以被配置为与一个或多个计算设备进行通信。通信接口1202的示例包括但不限于有线网络接口(比如网络接口卡)、无线网络接口(比如无线网络接口卡)、调制解调器、音频/视频连接和任何其它合适的接口。
处理器1204通常表示能够处理数据和/或解释、执行和/或指导对本文描述的指令、过程和/或操作中的一者或多者的执行的任何类型或形式的处理单元。处理器1204可以通过执行存储在存储设备1206中的计算机可执行指令1212(例如，应用、软件、代码和/或其它可执行数据实例)来执行操作。
存储设备1206可以包括一个或多个数据存储介质、设备或配置，以及可以采用任何类型、形式和组合的数据存储介质和/或设备。例如，存储设备1206可以包括但不限于本文描述的非易失性介质和/或易失性介质的任何组合。包括本文描述的数据的电子数据可以临时和/或永久地存储在存储设备1206中。例如，表示被配置为指导处理器1204执行本文描述的操作中的任何操作的计算机可执行指令1212的数据可以存储在存储设备1206内。在一些示例中，数据可以布置在驻留于存储设备1206内的一个或多个数据库中。
I/O模块1208可以包括一个或多个I/O模块，其被配置为接收用户输入并提供用户输出。I/O模块1208可以包括支持输入和输出能力的任何硬件、固件、软件或其组合。例如，I/O模块1208可以包括用于捕获用户输入的硬件和/或软件，包括但不限于键盘或小键盘、触摸屏组件(例如，触摸屏显示器)、接收机(例如，RF或红外接收机)、运动传感器和/或一个或多个输入按钮。
I/O模块1208可以包括用于向用户呈现输出的一个或多个设备，包括但不限于图形引擎、显示器(例如，显示屏)、一个或多个输出驱动器(例如，显示驱动器)、一个或多个音频扬声器以及一个或多个音频驱动器。在某些实施例中，I/O模块1208被配置为向显示器提供图形数据以呈现给用户。图形数据可以代表一个或多个图形用户界面和/或可以服务于特定的实现方式的任何其它图形内容。
在一些示例中，本文描述的任何系统、计算设备、处理器、控制器单元和/或其它组件可以由计算设备1200实现。例如，控制电路106、信号处理电路110和/或控制电路216可以由处理器1204实现。
在前面的描述中，已经参考附图描述了各种示例性实施例。然而，将显而易见的是，可以对其进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施例，而不背离所附权利要求中阐述的本发明的范围。例如，本文描述的一个实施例的某些特征可以与本文描述的另一实施例的特征组合或替代。因此，描述和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (44)

1.一种系统，包括：
光电检测器；
时间到数字转换器(TDC)，其耦合到所述光电检测器并且被配置为进行以下操作：
在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间，接收由其中所述光电检测器在所述光脉冲从所述目标反射之后检测到所述光脉冲的光子的事件触发的信号，所述信号被配置为启用所述TDC的门控环形振荡器(GRO)；以及
使用所述GRO来测量在所述事件发生时与所述预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔；以及
控制电路，其耦合到所述TDC并且被配置为基于所述时间间隔和所述预定事件检测时间窗口来确定所述光子在所述光电检测器处的到达时间。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信号还被配置为进行以下操作：
在所述TDC正在接收所述信号的同时启用所述TDC的所述GRO；并且
在所述信号停止时禁用所述TDC的所述GRO。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述TDC还被配置为：在所述预定事件检测时间窗口之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，在所述预定事件检测时间窗口完成时所述第二信号被接收。
5.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述GRO包括一对或多对交叉耦合逆变器，所述逆变器被配置为在所述GRO被禁用时存储所述GRO的状态；以及
所述测量所述时间间隔包括解码所述GRO的所存储的状态。
6.根据权利要求5所述的系统，其中：
所述TDC从提供外部参考时钟的锁相环(PLL)或延迟锁定环(DLL)接收电压；以及
所述启用所述GRO和所述测量所述时间间隔中的至少一者另外地基于所接收到的电压。
7.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述TDC还被配置为测量所述时间间隔之后的另外的时间间隔；
所述控制电路还被配置为基于所测量到的另外的时间间隔来校准所述TDC；以及
所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述校准。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述另外的时间间隔与所述预定事件检测时间窗口的长度相同或大体上相似。
9.根据权利要求7所述的系统，还包括校准电路，其被配置为执行用于所述校准所述TDC的计算。
10.根据权利要求7所述的系统，还包括查找表，其被配置为提供用于所述校准所述TDC的计算。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述TDC还被配置为：在所述另外的时间间隔之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。
12.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述TDC还被配置为接收指定所述预定事件检测时间窗口的开始时间的事件窗口信号；以及
所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述预定事件检测时间窗口的所述开始时间。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光电检测器包括：
单光子雪崩二极管(SPAD)；以及
快速门控电路，其被配置为装备和解除装备所述SPAD。
14.一种方法，包括：
通过耦合到光电检测器的时间到数字转换器(TDC)，在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间，接收由其中所述光电检测器在所述光脉冲从所述目标反射之后检测到所述光脉冲的光子的事件触发的信号，所述信号被配置为启用所述TDC的门控环形振荡器(GRO)；
通过所述TDC并使用所述GRO，测量在所述事件发生时与所述预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔；以及
通过耦合到所述TDC的控制电路，基于所述时间间隔和所述预定事件检测时间窗口，来确定所述光子在所述光电检测器处的到达时间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述信号还被配置为进行以下操作：
在所述TDC正在接收所述信号的同时启用所述TDC的所述GRO；并且
在所述信号停止时禁用所述TDC的所述GRO。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：通过所述TDC，在所述预定事件检测时间窗口之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述预定事件检测时间窗口完成时所述第二信号被接收。
18.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述GRO包括一对或多对交叉耦合逆变器，所述逆变器被配置为在所述GRO被禁用时存储所述GRO的状态；以及
所述测量所述时间间隔包括解码所述GRO的所存储的状态。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：通过所述TDC从提供外部参考时钟的锁相环(PLL)或延迟锁定环(DLL)接收电压，并且
其中，所述启用所述GRO和所述测量所述时间间隔中的至少一者另外地基于所接收到的电压。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过所述TDC测量所述时间间隔之后的另外的时间间隔；以及
通过所述控制电路基于所测量到的另外的时间间隔来校准所述TDC；并且
其中，所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述校准。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述另外的时间间隔与所述预定事件检测时间窗口的长度相同或大体上相似。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述校准所述TDC包括使用被配置为提供计算的校准电路。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述校准所述TDC包括使用被配置为提供计算的查找表。
24.根据权利要求20所述的方法，还包括：通过所述TDC并在所述另外的时间间隔之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。
25.根据权利要求14所述的方法，还包括：通过所述TDC，接收指定所述预定事件检测时间窗口的开始时间的事件窗口信号；并且
其中，所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述预定事件检测时间窗口的所述开始时间。
26.一种供用户使用的可穿戴系统，包括：
可头戴的组件，其被配置为附接到所述用户的头部，所述可头戴的组件包括光电检测器；
时间到数字转换器(TDC)，其耦合到所述光电检测器并且被配置为进行以下操作：
在响应于向目标施加光脉冲而开始的预定事件检测时间窗口期间，接收由其中所述光电检测器在所述光脉冲从所述目标反射之后检测到所述光脉冲的光子的事件触发的信号，所述信号被配置为启用所述TDC的GRO；以及
使用所述GRO测量在所述事件发生时与所述预定事件检测时间窗口结束之间的时间间隔；以及
控制电路，其耦合到所述TDC并且被配置为基于所述时间间隔和所述预定事件检测时间窗口来确定所述光子在所述光电检测器处的到达时间。
27.根据权利要求26所述的可穿戴系统，其中，所述信号还被配置为进行以下操作：
在所述TDC正在接收所述信号的同时启用所述TDC的所述GRO；并且
在所述信号停止时禁用所述TDC的所述GRO。
28.根据权利要求26所述的可穿戴系统，其中，所述TDC还被配置为：在所述预定事件检测时间窗口之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。
29.根据权利要求28所述的可穿戴系统，其中，在所述预定事件检测时间窗口完成时所述第二信号被接收。
30.根据权利要求26所述的可穿戴系统，其中：
所述GRO包括一对或多对交叉耦合逆变器，所述逆变器被配置为在所述GRO被禁用时存储所述GRO的状态；以及
所述测量所述时间间隔包括解码所述GRO的所存储的状态。
31.根据权利要求30所述的可穿戴系统，其中：
所述TDC从提供外部参考时钟的锁相环(PLL)或延迟锁定环(DLL)接收电压；以及
所述启用所述GRO和所述测量所述时间间隔中的至少一者另外地基于所接收到的电压。
32.根据权利要求26所述的可穿戴系统，其中：
所述TDC还被配置为测量所述时间间隔之后的另外的时间间隔；
所述控制电路还被配置为基于所测量到的另外的时间间隔来校准所述TDC；以及
所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述校准。
33.根据权利要求32所述的可穿戴系统，其中，所述另外的时间间隔与所述预定事件检测时间窗口的长度相同或大体上相似。
34.根据权利要求32所述的可穿戴系统，还包括校准电路，其被配置为执行用于所述校准所述TDC的计算。
35.根据权利要求32所述的可穿戴系统，还包括查找表，其被配置为提供用于所述校准所述TDC的计算。
36.根据权利要求32所述的可穿戴系统，其中，所述TDC还被配置为：在所述另外的时间间隔之后，接收被配置为禁用所述TDC的所述GRO的第二信号。
37.根据权利要求26所述的可穿戴系统，其中：
所述TDC还被配置为接收指定所述预定事件检测时间窗口的开始时间的事件窗口信号；以及
所述确定所述光子的所述到达时间还基于所述预定事件检测时间窗口的所述开始时间。
38.根据权利要求26所述的可穿戴系统，其中，所述光电检测器包括：
单光子雪崩二极管(SPAD)；以及
快速门控电路，其被配置为装备和解除装备所述SPAD。
39.根据权利要求26所述的可穿戴系统，其中，所述可头戴的组件由非侵入性可穿戴大脑接口系统实现。
40.根据权利要求26所述的可穿戴系统，还包括可穿戴电池，其被配置为向所述可头戴的组件提供电力。
41.根据权利要求26所述的可穿戴系统，还包括处理器，其被配置为与所述控制电路进行通信。
42.根据权利要求41所述的可穿戴系统，还包括单个壳体，其被配置为容纳所述处理器和所述控制电路。
43.根据权利要求41所述的可穿戴系统，还包括：
第一壳体，其被配置为容纳所述控制电路；以及
第二壳体，其被配置为容纳所述处理器。
44.根据权利要求43所述的可穿戴系统，其中：
所述第一壳体包括可头戴的组件；以及
所述第二壳体被配置为附接到所述用户上的、头部以外的位置。
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