IT202100006728A1 - Sistema e metodo per la rivelazione, localizzazione e segnalazione di eventi di singolo fotone e di coincidenza temporale di almeno due fotoni - Google Patents

Description

SISTEMA E METODO PER LA RIVELAZIONE, LOCALIZZAZIONE E

SEGNALAZIONE DI EVENTI DI SINGOLO FOTONE E DI

COINCIDENZA TEMPORALE DI ALMENO DUE FOTONI

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce al campo tecnico dei sistemi per la rivelazione di fotoni. In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un sistema e ad un metodo per la rivelazione, localizzazione e segnalazione di eventi di singolo fotone e di coincidenza temporale di almeno due fotoni.

La presente invenzione trova particolare applicazione, ma non solo, nell?imaging medicale, nell?imaging a fluorescenza, nella spettroscopia, nella microscopia quantistica, nelle misurazioni, dirette ed indirette, del tempo di volo (ToF ? Time of Flight) e nel rivelamento della distanza di oggetti mediante la luce (LiDAR - Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging), ad esempio per applicazione in veicoli con guida autonoma, geodesia, altimetria e simili.

STATO DELL'ARTE

Negli ultimi anni, il campo della fotorivelazione ha subito notevoli progressi, dovuti alla crescente richiesta, in molti settori scientifico-tecnologici, di dispositivi in grado di fornire prestazioni di punta nella rivelazione di fotoni.

Quando ? necessario rivelare segnali luminosi molto deboli, ? noto utilizzare rivelatori a singolo fotone, ad esempio fotorivelatori SPAD (Single-Photon Avalanche Diode), singoli oppure organizzati come matrici di SPAD, o fotorivelatori SiPM (Silicon Photo Multiplier).

Un fotorivelatore SPAD ? costituito essenzialmente da una giunzione p-n, la quale viene polarizzata inversamente ad una tensione superiore a quella di valanga (breakdown). Quando un fotone incide sullo SPAD, viene generata una coppia elettrone-lacuna, la quale innesca in tempi molto rapidi (centinaia di ps) un processo di moltiplicazione a valanga delle cariche elettriche, che produce in uscita un segnale di corrente macroscopico (dell?ordine dei milliampere). Questo regime operativo ? definito come Geiger mode. Il tempo che intercorre tra lo stato di quiescenza dello SPAD e l?innesco di una moltiplicazione a valanga, coincidente con il fronte di salita del segnale di corrente, marca il tempo di arrivo del fotone.

Un fotorivelatore SPAD si comporta quindi come un sensore innescato da un fotone, che trasduce un singolo fotone in una corrente macroscopica di una miriade di elettroni e lacune.

Una matrice di fotorivelatori SPAD secondo la tecnica nota comprende tipicamente una pluralit? di pixel tra di essi indipendenti, ciascuno dei quali comprende un fotorivelatore SPAD, un?elettronica di lettura o di front-end (analogica o digitale) ed, eventualmente, un?elettronica aggiuntiva, configurata per conteggiare il numero di fotoni in arrivo sullo SPAD o per eseguire la marcatura temporale del loro tempo di arrivo, ad esempio, misurando il tempo di volo di ciascun fotone, rispetto ad un sincronismo di riferimento.

L?uscita di ciascun pixel viene elaborata in modo completamente digitale, preservando il vantaggio dei fotorivelatori SPAD di essere immuni al rumore di lettura e fornendo, in modo efficace, informazioni su intensit? (tramite conteggio dei fotoni) e/o su forma d?onda del segnale ottico (tramite misura del tempo di arrivo dei fotoni).

La matrice di fotorivelatori SPAD viene tipicamente letta per mezzo di una scansione righe per colonne di ogni pixel, il che consente di conservare l'informazione spaziale (x, y), ossia della posizione del pixel innescato della matrice, su cui ha inciso un fotone. Ad esempio, un contatore in ciascun pixel viene letto secondo un ordine noto, il che permette di ricostruire la mappa di intensit? 2D bidimensionale, cio? posizione (x, y) e numero di fotoni rivelati, oppure la mappa 3D tridimensionale, cio? posizione (x, y) e tempo di arrivo t dei fotoni rivelati o distanza z dell'oggetto dal pixel della matrice.

L?uscita di una matrice di fotorivelatori SPAD ? tipicamente un bus digitale, il quale fornisce il contenuto dei pixel (numero di fotoni rivelati o loro tempo d?arrivo, o altro) ad una data frequenza di fotogrammi o frame-rate.

Nonostante i loro vantaggi in termini di immunit? al rumore di lettura e risoluzione spaziale, ossia capacit? di conservazione delle informazioni sulla posizione dei pixel della matrice su cui ha inciso un fotone, le matrici di SPAD presentano tuttavia alcuni inconvenienti.

In primo luogo, essendo tali matrici completamente digitali, non sono in grado di rivelare fenomeni di coincidenza o correlazione temporale dei fotoni che incidono sulla matrice. Questo problema viene tipicamente risolto integrando, in ciascun pixel della matrice, un?elettronica di temporizzazione, configurata per marcare temporalmente i fotoni. Le marcature temporali dei fotoni rivelati vengono quindi successivamente elaborate, in modo da identificare i pixel con lo stesso marcatore temporale del fotone l? rivelato.

Ne deriva che, in ogni pixel della matrice SPAD, ? dunque necessario prevedere un'elettronica di temporizzazione piuttosto complessa, il che compromette il fattore di riempimento (fill-factor) della matrice, ossia il rapporto tra area attiva degli SPAD, sensibile ai fotoni, e area complessiva dei pixel. ? inoltre necessaria una fase di post-elaborazione dei dati.

Secondariamente, l?acquisizione di frame a frequenza fissa ? svantaggiosa in applicazioni con basso flusso di fotoni, poich? il sistema ? sovraccarico di dati inutili, ad esempio frame senza evidenza di fotoni incidenti, oppure frame con molti pixel senza dati utili, con un impatto negativo sul consumo energetico, sulla mole trasmessa di dati, sulla quantit? di dati elaborati, e quindi sulla larghezza di banda del canale di lettura, sulla disponibilit? della memoria di archiviazione, sulle necessarie operazioni di recupero e archiviazione del microprocessore, ecc. In questi tipi di applicazioni, ? pi? conveniente usare un approccio di lettura attivato da eventi (event-driven), a patto di poter rivelare l?evento atteso direttamente sul chip (e non in post-elaborazione). Un evento potrebbe essere, ad esempio, la rivelazione di un fotone in un pixel, oppure la rivelazione contemporanea di due fotoni in due pixel distinti, o di N fotoni in N pixel diversi, ecc.

Matrici di SPAD configurate per rivelare eventi di singolo fotone, conservare la risoluzione spaziale ed attivate da eventi sono descritte, ad esempio, in: "A CMOS 64?48 Single Photon Avalanche Diode Array with Event-Driven Readout" Proceedings of the 32nd European Solid-State Circuits Conference, pp. 556-559, 2006;

"A 100-m Range 10-Frame/s 340?96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18-?m CMOS? IEEE Journal Of Solid-State Circuits, vol. 48, no. 2, pp. 559-572, 2013; e

?A scalable 20?20 fully asynchronous SPAD-based imaging sensor with AER readout? IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 1110-1113, Un SiPM ? un fotorivelatore analogico costituito da una matrice di microcelle, il quale si comporta come un pixel singolo. Ciascuna microcella include uno SPAD con una resistenza di spegnimento o di quenching, collegata tra l?uscita dello SPAD ed un nodo comune all?intera matrice. La resistenza di quenching permette di arrestare la moltiplicazione a valanga prodotta dalla coppia elettrone-lacuna che si genera quando un fotone incide sulla microcella. In questo modo la microcella sar? rapidamente in grado di rivelare un successivo fotone incidente su di essa.

Il segnale in uscita dal SiPM ? tipicamente dato da un?unica corrente analogica, pari alla somma della corrente analogica in uscita da ciascuna microcella, l? originata dalla rivelazione di un fotone, ed ? dunque funzione del numero di fotoni incidenti su tutte le microcelle del SiPM.

Il SiPM presenta il vantaggio sia di fornire un'ampia area attiva, data dalla somma delle aree attive di tutti gli SPAD, sia di essere in grado di fornire un?informazione su quanti fotoni, separatamente o contemporaneamente, hanno attivato microcelle diverse, ossia di risolvere il numero di fotoni (photon-number resolved). Infatti, misurando l'ampiezza della corrente analogica in uscita, ? possibile conoscere il numero di fotoni che incidono simultaneamente (o quasi) sul fotorivelatore.

Un SiPM ? pertanto un rivelatore attivato da eventi, che fornisce una corrente analogica solamente ogni volta che uno o pi? SPAD sono stati innescati ed ? particolarmente adatto per rivelare coincidenze di fotoni, ossia quando pi? fotoni colpiscono diverse microcelle quasi nel medesimo istante temporale.

Nonostante i suoi numerosi vantaggi, il SiPM presenta tuttavia una serie di inconvenienti, associati prevalentemente alla sua natura analogica.

Il SiPM ?, infatti, soggetto ad elevato rumore di lettura. Inoltre, non ? possibile sapere quali SPAD siano stati colpiti da fotoni, sicch? si perde l?informazione spaziale (x, y) associata ai fotoni rivelati; per questo motivo il SiPM si comporta come un unico pixel. Inoltre, il SiPM non ? facilmente scalabile (ossia estendibile ad un numero sempre pi? elevato di microcelle), perch? il nodo comune sarebbe sovraccaricato da capacit? parassite e correnti di dispersione che renderebbero difficile determinare con precisione l?istante di arrivo e il numero dei fotoni rivelati. Inoltre, col crescere delle dimensioni, si genererebbero ritardi di propagazione che limiterebbero la capacit? di individuare con precisione le coincidenze di una pluralit? di fotoni incidenti simultaneamente sul fotorivelatore.

Ad esempio, "A Fully Integrated State-of-the-Art Analog SiPM with on-chip Time Conversion" IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Proceedings (NSS/MIC), pp.1-3, 2018, descrive un SiPM analogico scalabile, configurato per discriminare eventi di singolo fotone.

Per eliminare o ridurre il rumore di lettura, si ricorre spesso ad un SiPM digitale, in cui, in ogni microcella, al posto della resistenza di spegnimento ? previsto un circuito di front-end digitale, il quale genera un segnale digitale ogni volta che nello SPAD viene innescata una moltiplicazione a valanga, mentre una logica di controllo spegne la valanga e riattiva lo SPAD dopo un tempo predeterminato. L'uscita digitale di ciascuna microcella viene inviata ad un unico nodo digitale, tipicamente una porta logica OR, che genera un segnale digitale sincrono con il primo fotone rivelato.

Analogamente al SiPM analogico, il SiPM digitale si comporta come un unico pixel, che non fornisce le informazioni spaziali su quali SPAD della matrice siano stati innescati da fotoni incidenti.

Un SiPM digitale configurato in modo da discriminare eventi di fotoni coincidenti all?interno dell?intera matrice di microcelle o di macro-aree di microcelle ? descritto, ad esempio, in

"The digital silicon photomultiplier ? Principle of operation and intrinsic detector performance" IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), pp. 1959-1965, 2009.

Allo stato dell?arte sono anche note matrici di SiPM, ovvero matrici in cui ciascun pixel ? costituito da un SiPM, analogico o digitale. Esempi di tali matrici sono noti da: "A 64?64-Pixels Digital Silicon Photomultiplier Direct TOF Sensor With 100-MPhotons/s/pixel Background Rejection and Imaging/Altimeter Mode With 0.14% Precision Up To 6 km for Spacecraft Navigation and Landing" IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.52, no.1, pp.151-160, 2017; e "Multipurpose, Fully Integrated 128?128 Event-Driven MD-SiPM With 51216-Bit TDCs with 45-ps LSB and 20-ns Gating in 40-nm CMOS Technology" IEEE Solid-State Circuits Letters, vol. 1, no. 12, pp. 241-244, Dec. 2018.

Il brevetto EP 3341755 B1 descrive un dispositivo di conteggio di fotoni, il quale ? configurato per registrare un?interazione simultanea di pixel vicini, qualora tale interazione avvenga all?interno di una finestra di coincidenza molto stretta. Il dispositivo non ? in grado di rivelare interazione tra pixel distanti tra di essi e non fornisce alcuna informazione spaziale.

La domanda di brevetto EP 3 502 636 A1 descrive una soluzione per il conteggio e la marcatura temporale di eventi di coincidenza temporale di fotoni. Tale soluzione ? molto simile ad un fotorivelatore SiPM e non fornisce l?informazione spaziale di eventi di coincidenza temporale di pi? fotoni.

Per tentare di superare gli inconvenienti dei rivelatori solo analogici o solo digitali, sopra descritti, sono stati proposti sistemi misti analogico/digitale.

La domanda di brevetto US 2019/0259792 A1 descrive un sistema misto analogico/digitale per rivelare coincidenze temporali di due o pi? fotoni in una matrice di SPAD. Tale sistema misto presenta un singolo nodo sommatore comune, il che limita drasticamente il numero di pixel della matrice e compromette l?affidabilit? complessiva e l?immunit? al rumore. Inoltre, tutti i pixel della matrice si comportano come un singolo rivelatore complessivo, analogamente ad un SiPM, e dunque non vengono preservate le informazioni spaziali sui fotoni incidenti.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE

? scopo della presente invenzione quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota.

In particolare, ? scopo della presente invenzione presentare un sistema ed un metodo per la rivelazione di fotoni, configurati in modo da rivelare direttamente su chip sia eventi di singolo fotone che eventi di coincidenza temporale di almeno due fotoni all?interno di una finestra temporale predefinita, preservando al contempo l?immunit? al rumore.

? anche scopo della presente invenzione presentare un sistema ed un metodo per la rilevazione di fotoni, in grado di ottimizzare le risorse computazionali per l?elaborazione dei segnali di rivelazione, riducendo al minimo i colli di bottiglia nella trasmissione, nell?elaborazione e nell?immagazzinamento dei dati.

? anche scopo della presente invenzione presentare un sistema ed un metodo per la rivelazione di fotoni, in modo che tali sistema e metodo siano configurati per preservare la risoluzione spaziale della matrice di pixel nella rivelazione di fotoni, ossia fornire l?informazione spaziale di dove sono stati rivelati i fotoni.

? anche scopo della presente invenzione presentare un sistema per la rivelazione di fotoni di tipo modulare, che permetta la scalabilit? del sistema senza comprometterne le prestazioni.

Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti da un sistema ed un metodo per la rivelazione di fotoni incorporanti le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.

Secondo un primo aspetto, l?invenzione ? diretta ad un sistema per la rivelazione di eventi di fotoni comprendente almeno una matrice di pixel, ciascun pixel comprendendo un fotorivelatore ed un?elettronica di front-end, che produce in uscita un segnale digitale.

Il sistema di rivelazione comprende inoltre almeno un?elettronica per la rivelazione di eventi, la quale include:

- una pluralit? di trasduttori digitale/analogico, uno per ogni pixel della matrice, in cui ciascun trasduttore digitale/analogico ? configurato per convertire il segnale digitale in arrivo dal rispettivo pixel in un corrispondente segnale analogico quantizzato in ampiezza e durata;

- un nodo sommatore analogico, a cui ? operativamente connessa la pluralit? di trasduttori digitale/analogico, configurato per sommare i segnali analogici in arrivo dai trasduttori digitale/analogico, cos? da ottenere un segnale analogico somma; ed

- un trasduttore analogico/digitale complessivo comprendente almeno un primo comparatore ed un secondo comparatore operativamente connessi al nodo sommatore analogico,

in cui il primo comparatore ? atto a confrontare un segnale in uscita dal nodo sommatore analogico con una prima soglia corrispondente all?innesco, all?interno di una finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un primo valore predeterminato, ed

in cui il secondo comparatore ? atto a confrontare il segnale in uscita dal nodo sommatore analogico con una seconda soglia corrispondente all?innesco, all?interno di una finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un secondo valore predeterminato,

in cui il primo comparatore ed il secondo comparatore sono atti a generare in uscita un segnale digitale se il segnale in uscita dal nodo sommatore analogico supera rispettivamente la prima soglia o la seconda soglia, in modo tale da permettere la rivelazione di eventi, all?interno della finestra temporale, con numero di fotoni incidenti sulla matrice maggiore o uguale al primo o al secondo valore predeterminato.

Grazie a tale combinazione di caratteristiche, ed in particolare grazie alla presenza, nel sistema, di una catena di elaborazione mista digitale e analogica delle rivelazioni di fotoni, si ottiene un sistema per la rivelazione di fotoni in grado di preservare l'immunit? al rumore tipica degli SPAD e fornire allo stesso tempo una localizzazione e segnalazione su chip di eventi di singolo fotone e di coincidenza temporale di pi? fotoni. Inoltre, essendo la lettura attivata da eventi, il sistema trasmette dati in uscita, ad esempio ad un?elettronica esterna (off-chip), solo quando viene rivelato un evento di singolo fotone oppure un evento di coincidenza temporale di due o pi? fotoni, con conseguente ottimizzazione delle risorse a livello di sistema, perch? viene attivata la segnalazione dell?avvenuto evento e vengono segnalati e trasmessi all'elettronica off-chip solo dati utili.

In una forma di realizzazione, la prima soglia corrisponde all?innesco di un numero di pixel maggiore o uguale ad uno e la seconda soglia corrisponde all?innesco di un numero di pixel maggiore o uguale a due.

In una forma di realizzazione, il sistema comprende un blocco di uscita, preferibilmente un multiplexer, configurato per generare un segnale digitale, che indica la rivelazione di un evento, in seguito al raggiungimento di una soglia di fotoni in coincidenza temporale impostata dall?utente.

In una forma di realizzazione, ciascun pixel della matrice comprende un?elettronica di lettura attivata da eventi, configurata per trasmettere, su una linea indirizzi comune, gli indirizzi dei pixel innescati, a seguito della generazione del segnale di rivelazione evento.

In una forma di realizzazione, l?elettronica di lettura attivata da eventi di ciascun pixel comprende un blocco di campionamento dello stato del pixel, un blocco di scrittura indirizzo ed un blocco di monitoraggio dello stato della linea indirizzi comune, tutti in comunicazione con una porta seriale open-drain con resistenza di pull-up globale.

In una forma di realizzazione, sulla linea indirizzi comune viene trasmesso un numero di indirizzi, ad esempio pari o superiore al numero di pixel innescati all?interno della finestra temporale. Ci? consente, vantaggiosamente, di preservare la risoluzione spaziale dei pixel all?interno della matrice.

In una forma di realizzazione, il sistema comprende una matrice madre suddivisa in matrici, in cui le elettroniche per la rivelazione di eventi delle matrici sono tra di esse collegate in cascata senza soluzione di continuit?, in cui l?ultima elettronica per la rivelazione di eventi della cascata ? collegata al blocco di uscita. Si evitano, vantaggiosamente, stadi aggiuntivi di rigenerazione dei segnali e viene inoltre assicurata la scalabilit? dei pixel e della matrice madre, grazie ad una struttura modulare della matrice madre.

In una forma di realizzazione il collegamento in cascata delle elettroniche per la rivelazione di eventi delle matrici segue un instradamento avente una ramificazione ricorsiva frattale ad albero H (H-tree).

In una forma di realizzazione, il nodo sommatore analogico comprende un amplificatore a transimpedenza.

In una forma di realizzazione, il fotorivelatore di ciascun pixel ? uno SPAD.

Conformemente ad un secondo aspetto, l?invenzione ? altres? diretta ad un metodo per la rivelazione di fotoni comprendente i passi di:

- generare almeno un segnale digitale a seguito dell?impatto di un fotone su uno o pi? pixel di almeno una matrice di pixel;

- convertire il segnale digitale in arrivo dal rispettivo pixel innescato in un corrispondente segnale analogico quantizzato in ampiezza e durata;

- sommare i segnali analogici quantizzati in un nodo sommatore analogico, cos? da ottenere un segnale analogico somma;

- convertire un segnale in uscita dal nodo sommatore analogico in almeno due segnali digitali, con valore logico alto se il segnale analogico supera rispettivamente due valori di soglia;

in cui la fase di conversione analogico/digitale comprende almeno le fasi di:

- confrontare il segnale in uscita dal nodo sommatore analogico con una prima soglia corrispondente all?innesco, all?interno di una finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un primo valore predeterminato;

- confrontare il segnale in uscita dal modo sommatore analogico con una seconda soglia corrispondente all?innesco, all?interno della finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un secondo valore predeterminato; e

- generare un segnale digitale se il segnale in uscita dal nodo sommatore analogico supera rispettivamente la prima soglia o la seconda soglia, in modo tale da permettere la rivelazione, all?interno della finestra temporale di coincidenza, di eventi con numero di fotoni incidenti sulla matrice maggiore o uguale al primo o secondo valore di soglia.

In una forma di attuazione, la prima soglia corrisponde all?innesco di un numero di pixel maggiore o uguale ad uno e la seconda soglia corrisponde all?innesco di un numero di pixel maggiore o uguale a due.

In una forma di realizzazione, il metodo comprende un passo preliminare di abilitare selettivamente i pixel della matrice per renderli sensibili ai fotoni incidenti, il metodo comprendendo, inoltre, un passo per verificare il superamento di una soglia impostata da un utente e

se la soglia non ? stata superata, continuare ad eseguire i passi di:

- generare almeno un segnale digitale a seguito dell?impatto di un fotone su uno o pi? pixel di almeno una matrice di pixel;

- convertire il segnale digitale in arrivo dal rispettivo pixel in un corrispondente segnale analogico quantizzato in ampiezza e durata;

- sommare i segnali analogici in un nodo sommatore analogico, cos? da ottenere un segnale analogico somma; e

- convertire un segnale in uscita dal nodo sommatore analogico in almeno due segnali digitali;

altrimenti, se la soglia viene superata, disabilitare tutti i pixel della matrice, finch? non si vuole riabilitarli per essere nuovamente sensibili ai fotoni incidenti.

In una forma di attuazione, il metodo comprende inoltre un passo di generare un segnale digitale che indica la rivelazione di un evento, in seguito al raggiungimento di una soglia di fotoni in coincidenza temporale impostata da un utente.

In una forma di attuazione, il metodo comprende inoltre un passo di trasmettere, su una linea indirizzi comune, gli indirizzi dei pixel innescati, a seguito della generazione del segnale di rivelazione evento e mentre i pixel sono disabilitati.

In una forma di attuazione, il metodo si applica ad una matrice madre, suddivisa in matrici, e comprende i seguenti passi, eseguiti in parallelo per tutte le matrici in cui ? suddivisa la matrice madre:

- generare almeno un segnale digitale a seguito dell?impatto di un fotone su uno o pi? pixel di almeno una matrice di pixel;

- convertire il segnale digitale in arrivo dal rispettivo pixel in un corrispondente segnale analogico quantizzato in ampiezza e durata;

- sommare i segnali analogici in un nodo sommatore analogico, cos? da ottenere un segnale analogico somma; e

- convertire un segnale in uscita dal nodo sommatore analogico in almeno due segnali digitali;

in cui gli almeno due segnali digitali in uscita da una matrice vengono trasmessi ad una matrice successiva, fino al completamento della matrice madre, secondo una configurazione a cascata senza soluzione di continuit?; ed

in cui l?almeno un segnale digitale a valore logico alto in uscita dalla matrice madre viene trasmesso ad un blocco di uscita, il quale genera un segnale digitale evento, in seguito al raggiungimento di una soglia di fotoni in coincidenza temporale impostata da un utente.

Ulteriori caratteristiche e scopi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L?invenzione verr? qui di seguito descritta con riferimento ad alcuni esempi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo, ed illustrati nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari.

Le Figure 1 e 1A mostrano schematicamente, rispettivamente, una matrice di fotorivelatori SPAD completamente digitali secondo la tecnica nota e, in dettaglio, la configurazione di ciascun pixel della matrice.

Le Figure 2 e 2A mostrano schematicamente, rispettivamente, un fotorivelatore SiPM completamente analogico secondo la tecnica nota e, in dettaglio, la configurazione di ciascuna microcella della matrice.

Le Figure 3 e 3A mostrano schematicamente, rispettivamente, un sistema per la rivelazione di eventi di fotoni secondo la presente invenzione e, in dettaglio, la configurazione di ciascun pixel della matrice.

La Figura 4 mostra uno schema circuitale di una possibile implementazione dell?elettronica eventi per la rivelazione di eventi del sistema di Figura 3.

La Figura 5 mostra una rappresentazione schematica di una suddivisione modulare del sistema in matrici e della ripetizione delle elettroniche per la rivelazione di eventi fino al livello della matrice madre, secondo la presente invenzione.

La Figura 6 mostra una rappresentazione schematica di una possibile struttura modulare del sistema per la rivelazione di eventi di fotoni secondo la presente invenzione, unitamente ad uno schema circuitale di un blocco o matrice di base.

La Figura 7 mostra una rappresentazione schematica di instradamento con ramificazione ricorsiva frattale ad albero ad H delle elettroniche per la rivelazione di eventi della suddivisione modulare in matrici del sistema per la rivelazione di eventi di fotoni di Figura 5.

La Figura 8 mostra schematicamente un?elettronica di lettura attivata da eventi del sistema secondo la presente invenzione.

La Figura 9 mostra un diagramma di flusso di passi del metodo per la rivelazione di eventi di fotoni secondo la presente invenzione, nel caso di sistema a singola matrice di pixel.

La Figura 10 mostra un diagramma di flusso di passi del metodo per la rivelazione di eventi di fotoni secondo la presente invenzione, nel caso di sistema a struttura modulare di matrici.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

Mentre l?invenzione ? suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione fornite a scopo esplicativo, sono descritte qui di seguito in dettaglio.

Si deve intendere, comunque, che non vi ? alcuna intenzione di limitare l?invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, l?invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell?ambito dell?invenzione come definito nelle rivendicazioni.

Nella seguente descrizione, pertanto, l?uso di ?ad esempio?, ?ecc.?, ?oppure? indica alternative non esclusive senza limitazione, salvo diversa indicazione; l?uso di ?anche? significa ?tra cui, ma non limitati a? se non diversamente indicato; l?uso di ?include / comprende? significa ?include / comprende, ma non limitato a? a meno che non altrimenti indicato.

Con riferimento alla Figura 1, in essa viene illustrata una matrice di fotorivelatori SPAD secondo la tecnica nota.

La matrice, indicata con il numero di riferimento 1, comprende un numero di pixel 2 tra di essi indipendenti. Ciascun pixel 2 comprende un fotorivelatore SPAD 3, un?elettronica di front-end 4 ed un?elettronica di processamento, costituita ad esempio da un convertitore tempo-digitale 5 (Time to Digital Converter ? TDC) configurato per misurare il tempo di arrivo del fotone F su un rispettivo SPAD 3.

Come descritto in precedenza, quando un fotone F impatta su uno SPAD, si crea una coppia elettrone-lacuna, la quale innesca una moltiplicazione a valanga delle cariche elettriche, che porta alla generazione di una corrente macroscopica, convertita dall?elettronica di front-end 4 in un segnale digitale. Ciascun pixel 2 produce, quindi, un?uscita digitale Ud1?Udb (dove b indica il numero di bit dell?uscita digitale), indicativa del tempo di arrivo del fotone F sullo SPAD 3 e le uscite digitali Ud1?Udb vengono trasmesse ad un bus posto all?uscita della matrice 1.

Nella Figura 2 viene invece illustrato un fotorivelatore SiPM secondo la tecnica nota.

Il fotorivelatore SiPM, indicato in generale con il numero di riferimento 6, comprende una matrice di microcelle 7. Ciascuna microcella 7 include un fotorivelatore SPAD 8, del tutto simile allo SPAD 3 sopra descritto con riferimento alla matrice 1, in serie con una resistenza di spegnimento o quenching RQ, la cui funzione ?, come sopra descritto, quella di arrestare la moltiplicazione a valanga prodotta dalla coppia elettrone-lacuna, che si genera quando un fotone incide sullo SPAD 8 della microcella 7 e consentire, dunque, alla microcella 7 di rivelare un nuovo fotone incidente. In particolare, la resistenza di spegnimento RQ ? collegata tra ciascuno SPAD 8 ed un nodo comune 9, il quale funge da singolo nodo sommatore condiviso per tutti gli SPAD 8. L?uscita del SiPM 6 ? dunque la somma analogica Uatot delle correnti analogiche Ua1,?,Uax in uscita da tutte le microcelle 7 che sono state impattate da un fotone F.

Con riferimento alla Figura 3, in essa viene mostrato un sistema per la rivelazione di eventi di fotoni secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione.

Il sistema, indicato in generale con il numero di riferimento 100, comprende una matrice M di pixel 10, ciascuno dei quali include un fotorivelatore 12, preferibilmente uno SPAD, un?elettronica di front-end 14 ed un?elettronica di lettura attivata da eventi 15, configurata per fornire informazioni della posizione spaziale dei pixel della matrice innescati da fotoni, come verr? descritto in maggiore dettaglio nel seguito.

Nel seguito si far? riferimento a fotorivelatori SPAD, ma resta inteso che quanto descritto vale anche per fotorivelatori di tipo diverso, purch? adatti allo scopo. Ad esempio, in alternativa agli SPAD, si potrebbero utilizzare fotorivelatori analogici (detti anche rivelatori lineari), previa digitalizzazione dell?informazione in uscita.

Ogni pixel 10, il cui SPAD 12 ? impattato da un fotone F, produce in uscita un segnale digitale Sd1,?,Sdx (dove x indica il numero di SPAD presenti nella matrice M), sincrono con l?attivazione del rispettivo SPAD 12, e l?indirizzo Ip1,?Ipb (dove b indica il numero di bit dell?indirizzo) del pixel 10 impattato, tale indirizzo essendo trasmesso ad una linea indirizzi L (si veda la Figura 8).

Come verr? descritto in dettaglio in seguito, l?uscita del sistema 100 ? un numero di segnali digitali, di rivelazione di un evento di singolo fotone e di coincidenza temporale di due o pi? fotoni e, preferibilmente una linea indirizzi L, la quale fornisce gli indirizzi dei pixel innescati all?interno di una finestra temporale predefinita preferibilmente dell?ordine di pochi nanosecondi.

Il sistema 100 include anche un?elettronica 20 per la rivelazione di eventi, la quale, come verr? descritto in dettaglio nel seguito, ? configurata per rivelare su chip eventi di singolo fotone e di coincidenza temporale di due o pi? fotoni distribuiti sull'intera matrice M, entro la finestra temporale di coincidenza. Il numero di fotoni in coincidenza temporale da rivelare tramite il sistema 100 ? di volta in volta impostato dall?utente.

L?elettronica 20 per la rivelazione di eventi costituisce, in sostanza, un nodo rivelatore, condiviso tra i pixel 10 della matrice M, il quale identifica quando un fotone F ? evento di singolo fotone - o pi? fotoni F ? evento di coincidenza temporale di pi? fotoni - hanno attivato, rispettivamente, uno o pi? SPAD 12, con conseguente generazione di un rispettivo segnale digitale Sd1,?,Sdx in uscita dal rispettivo pixel 10.

Gli SPAD 12 innescati possono essere ovunque all?interno della matrice M, per cui la rivelazione degli eventi di coincidenza temporale di fotoni F avviene indiscriminatamente su tutta la matrice M e non ? quindi limitato a pixel 10 limitrofi, a porzioni della matrice M o a qualsiasi possibile raggruppamento di pixel 10.

Come mostrato in dettaglio in Figura 4, l?elettronica 20 per la rivelazione di eventi comprende una pluralit? di trasduttori digitale/analogico (D/A) 21, uno per ogni pixel 10 della matrice M, tra di essi collegati in parallelo, un nodo sommatore analogico 22, a cui ? operativamente connessa la pluralit? di trasduttori digitale/analogico 21, ed un trasduttore analogico/digitale (A/D) complessivo 24, operativamente connesso al nodo sommatore analogico 22.

I segnali digitali Sd1,?,Sdx in uscita dall?elettronica di front-end digitale 14 dei pixel 10, il cui SPAD 12 ? stato impattato da un fotone F, vengono forniti in ingresso ad un rispettivo trasduttore digitale/analogico 21, ad esempio un generatore di corrente controllato in tensione (ossia un transistor MOS), della pluralit? di trasduttori digitale/analogico 21, il quale produce in uscita un rispettivo segnale analogico quantizzato Sa1,?,Sax.

A differenza di un fotorivelatore SiPM di tipo noto, sopra descritto con riferimento alla Figura 2, i segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax non sono le correnti generate dagli SPAD 12, bens? segnali ben definiti con durata ed ampiezza regolabili. Ci? consente, vantaggiosamente, di impostare l?ampiezza del segnale ben al di sopra del limite di rumore elettronico, preservando cos? l?immunit? al rumore di lettura tipica delle matrici di fotorivelatori SPAD, sopra descritte con riferimento alla Figura 1.

I segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax in uscita dai trasduttori digitale/analogico 21 vengono forniti in ingresso al nodo sommatore analogico 22, avente preferibilmente la forma di un amplificatore a transimpedenza (TIA), il quale comprende un amplificatore operazionale 23 con una resistenza di retroazione Rf. In particolare, i singoli segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax in arrivo dai trasduttori digitale/analogico 21 vengono sommati nel nodo sommatore analogico 22, generando un segnale analogico somma Sa, anch?esso quantizzato.

La durata della finestra di coincidenza coincide con la durata (programmabile) dei segnali Sd1,?,Sdx, e di conseguenza di Sa1,?,Sax, ed ? preferibilmente dell?ordine di pochi nanosecondi. Solo fotoni rivelati simultaneamente entro la finestra di coincidenza daranno segnali Sa1,?,Sax che sommandosi in Sa possono essere rivelati come eventi di coincidenza temporale di pi? fotoni.

Una volta regolata la durata dei segnali digitali Sd1,?,Sdx, e di conseguenza anche i segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax, e corrispondentemente la durata della finestra di coincidenza temporale, a seconda dell?ampiezza del segnale analogico somma Sa nel nodo sommatore analogico 22, ? possibile distinguere il numero di pixel 10 che sono stati innescati contemporaneamente all?interno della finestra di coincidenza temporale.

A tal fine, il segnale analogico somma Sa viene convertito dall?amplificatore a transimpedenza TIA in un segnale analogico di uscita Sout, il quale alimenta il trasduttore analogico/digitale complessivo 24.

In particolare, il trasduttore analogico/digitale complessivo 24 comprende un primo comparatore 25 ed un secondo comparatore 26, configurati per discriminare il numero di eventi di fotoni, in funzione dell?ampiezza del segnale analogico somma Sa, e quindi all?interno della finestra di coincidenza temporale corrispondente.

Pi? in particolare, il primo comparatore 25 ha una prima soglia TH1, corrispondente all?innesco in coincidenza di un numero N di pixel 10 maggiore o uguale ad un primo valore, nell?esempio illustrato N?1, mentre il secondo comparatore 26 ha una seconda soglia TH2, corrispondente all?innesco in coincidenza, , di un numero N di pixel maggiore o uguale ad un secondo valore predeterminato, nell?esempio illustrato N? 2.

Il segnale analogico Sout in uscita dal nodo sommatore analogico 22 viene confrontato, nel primo comparatore 25 e nel secondo comparatore 26, rispettivamente, con la prima soglia TH1 e la seconda soglia TH2.

Ne consegue che: se Sout>TH1, ossia se il segnale analogico Sout in uscita dall?amplificatore a transimpedenza TIA supera la prima soglia TH1, corrispondente all?innesco in coincidenza di un numero di pixel 10 maggiore o uguale ad uno, allora il primo comparatore 25 produce in uscita un segnale digitale Sd1F, indicativo di un evento di almeno un fotone all?interno della finestra di coincidenza temporale; se anche Sout>TH2, ossia se il segnale analogico Sout in uscita dall?amplificatore a transimpedenza TIA supera anche la seconda soglia TH2, corrispondente all?innesco in coincidenza di un numero di pixel 10 maggiore o uguale a due, il secondo comparatore 26 produce in uscita un segnale digitale a valore logico alto Sd2F, indicativo di un evento di coincidenza temporale di almeno due fotoni all?interno della finestra di coincidenza temporale.

In altri termini, quando il segnale analogico di uscita Sout supera la prima soglia TH1, ma non la soglia TH2, si genera un solo segnale digitale Sd1F, indicativo di un evento di singolo fotone, mentre quando il segnale analogico di uscita Sout supera sia la prima soglia TH1 che la seconda soglia TH2, si generano due segnali Sd1F, Sd2F, aventi la stessa durata dei segnali digitali Sd1,?,Sdx generati dai pixel 10, indicativi di un evento di coincidenza di almeno due fotoni. Il segnale digitale in uscita dal sistema 100 ? un segnale digitale evento Sdevento impostato dall?utente e corrispondente al superamento della prima soglia TH1 (rivelazione di un evento di almeno un fotone) o della seconda soglia TH2 (rivelazione di un evento di coincidenza temporale di almeno due fotoni), il quale viene prodotto da un blocco di uscita 28 (si veda la Figura 7).

Sebbene nella forma di realizzazione illustrata vengono descritti due comparatori, rientra nell?ambito di protezione della presente invenzione un?elettronica 20 per la rivelazione di eventi comprendente un numero di comparatori maggiore di due, ciascuno con valore di soglia crescente fino a THn, dove n ? il numero di fotoni in coincidenza che si desidera rivelare (in una possibile implementazione le soglie comprendono tutti i valori tra 1 e n). Anche in questo caso, il segnale digitale in uscita dal sistema 100 sar? quello corrispondente al superamento della soglia impostata dall?utente. Naturalmente ci? comporta una maggiore occupazione di area non attiva della matrice M ed un aumento nel consumo di energia.

Con riferimento alle Figure da 5 a 7, in esse viene illustrato un sistema 100 per la rivelazione di eventi di fotoni, il quale presenta una struttura modulare e scalabile. Il sistema 100 comprende, in tal caso, una matrice madre MM, suddivisa in una pluralit? di matrici M, ciascuna dotata di una propria elettronica 20 per la rivelazione di eventi, le elettroniche 20 per la rivelazione di eventi essendo tra di esse collegate in cascata senza soluzione di continuit?.

Pi? in particolare, e con riferimento alla Figura 5, le matrici M della matrice madre MM generano corrispondenti segnali digitali Sd1,?,Sdx, i quali vengono trasmessi in ingresso alla rispettiva elettronica 20 per la rivelazione di eventi. All?interno di ciascuna elettronica 20 per la rivelazione di eventi, i segnali digitali Sd1,?,Sdx vengono trasformati, dai trasduttori digitale/analogico 21, in corrispondenti segnali analogici Sa1,?Sax, i quali vengono sommati, nel rispettivo nodo sommatore analogico 22. Il segnale analogico Sout in uscita da ciascun nodo sommatore analogico 22 viene trasmesso in ingresso ad un rispettivo trasduttore analogico/digitale complessivo 24, il quale produce in uscita un numero di segnali digitali Sd1F,?,SdyF (dove y indica il numero di segnali d?uscita generati), ciascuno corrispondente al superamento della soglia di un rispettivo comparatore del trasduttore analogico/digitale complessivo 24. Affinch? la soglia sia superata gli inneschi devono avvenire in coincidenza, ovvero all?interno della finestra temporale regolata dall?utente, la cui durata coincide con la durata dei segnali digitali Sd1,?,Sdx e di conseguenza anche dei segnali analogici Sa1,?,Sax.

I segnali digitali Sd1F,?,SdyF in uscita da ciascuna elettronica 20 per la rivelazione di eventi vengono quindi trasmessi in ingresso ad un?altra elettronica 20 per la rivelazione di eventi e cos? via, a cascata, fino al completamento della matrice madre MM.

Alla fine della cascata di elettroniche 20 per la rivelazione di eventi, il blocco di uscita 28 genera un segnale digitale evento Sdevento in corrispondenza del verificarsi di un evento, inteso come il raggiungimento di almeno THtot fotoni coincidenti in tutta la matrice madre MM, dove THtot ? la soglia corrispondente al numero di fotoni in coincidenza temporale impostato dall?utente. Il blocco di uscita pu? essere, ad esempio, implementato tramite un multiplexer 28, il quale seleziona il segnale corretto in uscita dall?ultima elettronica 20 per la rivelazione di eventi della cascata. A titolo di esempio, il segnale Sdevento in uscita dal multiplexer 28 pu? essere il segnale corrispondente al superamento della prima soglia TH1 (rivelazione di un evento di almeno un fotone) o quello corrispondente al superamento della seconda soglia TH2 (rivelazione di un evento di coincidenza temporale di almeno due fotoni).

Una forma di realizzazione particolarmente preferita di sistema 100 a struttura modulare e scalabile ? mostrata nelle Figure 6 e 7.

Il sistema 100 comprende una matrice madre MM di 96x96 pixel, preferibilmente realizzata in tecnologia CMOS. Il numero di pixel 10 della matrice madre MM ? stato scelto in modo da avere il maggior numero di SPAD 12, garantendo al contempo buone prestazioni dell'elettronica del sistema 100. Naturalmente quanto verr? descritto qui di seguito per la matrice madre MM di 96x96 pixel vale anche per matrici madre diversamente dimensionate.

La matrice madre MM ? stata quindi suddivisa in matrici di 12x12 pixel M12. I pixel 10 di ciascuna matrice M12 sono collegati ad una rispettiva elettronica 20 per la rivelazione di eventi del tipo sopra descritto ed illustrato con riferimento alla Figura 4.

L?elettronica eventi 20 di ciascuna matrice M12 comprende quindi una pluralit? di trasduttori digitale/analogico 21, uno per ciascun pixel 10 della matrice M12, un nodo sommatore analogico 22, comune a tutti i pixel 10 della matrice M12, ed un trasduttore analogico/digitale 24 complessivo, operativamente connesso al nodo sommatore analogico 22. Naturalmente la matrice madre MM pu? essere suddivisa in matrici M aventi un numero differente di pixel.

Come esposto in precedenza, l?elettronica 20 per la rivelazione di eventi di ciascuna matrice M12 della matrice madre MM ? in grado di trasformare i segnali digitali Sd1,?,Sdx in uscita dai pixel 10 impattati da fotoni, in corrispondenti segnali analogici quantizzati in ampiezza ed in intensit? Sa1,?,Sax (la cui durata determina la durata della finestra di coincidenza temporale) tramite i rispettivi trasduttori digitale/analogico 21. I segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax vengono quindi sommati nel nodo sommatore analogico 22, ottenendo un segnale analogico somma Sa. Il segnale analogico somma Sa viene successivamente convertito in un segnale analogico di uscita Sout.

Viene, infine, eseguita l'ultima conversione analogico/digitale nel trasduttore analogico/digitale complessivo 24, cos? da generare un numero di segnali digitali a valore logico alto Sd1F,?,SdyF corrispondenti al superamento, all?interno della finestra di coincidenza temporale, di rispettivi valori di soglia di uno, due, ? n comparatori del trasduttore analogico/digitale 24.

Per sommare tutti i segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax nel nodo sommatore analogico 22, i trasduttori digitale/analogico 21 (implementabili ad esempio con generatori di corrente controllati in tensione) sono collegati in parallelo, il che genera un segnale proporzionale al numero di generatori tra di essi collegati.

Inoltre, la dimensione delle matrici M12 ? scelta in modo da garantire una capacit? parassita Cpar al nodo sommatore 22 abbastanza piccola da consentire una rapida elaborazione elettronica e rapidi fronti di salita/discesa del segnale analogico somma Sa e del segnale analogico di uscita Sout. In tal modo non vengono compromesse le informazioni di temporizzazione, ossia la durata della finestra di coincidenza temporale e l?istante di superamento delle soglie del convertitore analogico / digitale 24.

Come detto in precedenza, le matrici che compongono la matrice madre MM possono essere tra di esse collegate in modo che le rispettive elettroniche 20 per la rivelazione di eventi risultino operativamente connesse secondo una configurazione a cascata, senza soluzione di continuit?.

A titolo di esempio non limitativo, e come mostrato in Figura 7, sempre con riferimento alla matrice madre di 96x96 pixel MM suddivisa nelle matrici di 12x12 pixel M12 sopra descritta, i segnali digitali Sd1F,?,SdyF provenienti da quattro matrici di 12x12 pixel M12 possono essere sommati in un nodo sommatore analogico 22 di un?elettronica 20 per la rivelazione di eventi di una matrice di 24x24 pixel M24 risultante dalla somma delle quattro matrici di 12x12 pixel M12.

In modo del tutto analogo, i segnali digitali Sd1F,?,SdyF provenienti da quattro matrici M24 possono essere sommati in un nodo sommatore analogico 22 di un?elettronica 20 per la rivelazione di eventi di una matrice di 48x48 pixel M48 risultante dalla somma delle quattro matrici di 24x24 pixel M24, e cos? via fino all'elettronica 20 posta al centro della matrice madre MM di Figura 7 per la rivelazione di eventi della matrice madre MM.

L?elettronica 20 per la rivelazione di eventi della matrice madre MM ? infine collegata operativamente al multiplexer 28, il quale produce in uscita il segnale digitale evento Sdevento in corrispondenza della rivelazione di un numero di fotoni in coincidenza all?interno della finestra temporale pari alla soglia THtot impostata dall?utente, ad esempio scelta tra TH1, TH2,?THn.

La scelta di questi numeri di pixel ? il risultato di un compromesso tra i problemi di correnti di dispersione e capacit? parassite nella matrice M, nell?esempio mostrato la matrice M12, ed il numero complessivo di stadi di conversioni digitale / analogico e analogico / digitale in cascata, che comporta un ritardo tra evento e generazione del corrispondente segnale Sdevento di uscita, funzione del numero di stadi.

In particolare, al fine di ridurre al minimo le discrepanze ed i ritardi di propagazione dei segnali tra le matrici M della matrice madre MM del sistema 100, per la connessione a cascata senza soluzione di continuit? tra le elettroniche 20 per la rivelazione di eventi delle matrici M ? stato eseguito un instradamento avente una ramificazione ricorsiva frattale ad albero H.

Tale ramificazione ricorsiva frattale ad albero H ? ben visibile in Figura 7, in cui l'elettronica 20 per la rivelazione di eventi di ogni matrice di 12x12 pixel M12 ? posta al centro della matrice di 12x12 pixel M12 e, allo stesso modo, l?elettronica 20 per la rivelazione di eventi di ogni matrice di 24x24 pixel M24 ? posta al centro della matrice di 24x24 pixel M24 e l?elettronica 20 per la rivelazione di eventi di ogni matrice di 48x48 pixel M48 ? posta al centro di ogni matrice di 48x48 pixel M48, e cos? via.

In questo modo, tutti i percorsi che collegano ogni elettronica 20 per la rivelazione di eventi a quella successiva possono, vantaggiosamente, essere identici e non influenzati da ritardi temporali dissimili (skew). La forma ad albero H equalizza infatti i percorsi dall?uscita di ciascun trasduttore analogico/digitale complessivo 24 (qualunque sia la sua posizione) all?ingresso dei trasduttori digitale/analogico 21 dell?elettronica 20 per la rivelazione di eventi in cascata.

I segnali che viaggiano lungo i rami dell?albero H sono i segnali digitali in uscita dai comparatori del trasduttore analogico/digitale complessivo 24. Ci? consente, vantaggiosamente, di propagare su percorsi lunghi (resistivi e capacitivi) solo segnali digitali, pi? immuni al rumore elettronico.

Quando l?elettronica 20 per la rivelazione di eventi della matrice M ? o la cascata di elettroniche 20 per la rivelazione di eventi delle matrici M in cui ? suddivisa la matrice madre MM, nel caso di sistema 100 a struttura modulare e scalabile - rivela un evento di almeno un fotone oppure un evento di coincidenza temporale di due o pi? fotoni, solamente i pixel 10 impattati dai fotoni F comunicano il proprio indirizzo. Ci? consente vantaggiosamente, di fornire solamente le coordinate spaziali dei pixel innescati, senza spreco di risorse per dati inutili.

A tal fine, e come mostrato in dettaglio in Figura 8, tutti i pixel 10 della matrice M ? o di matrici M in cui ? suddivisa la matrice madre MM nel caso di sistema 100 a struttura modulare e scalabile - sono collegati ad una linea indirizzi L condivisa.

A titolo esemplificativo e non limitativo, la comunicazione dei pixel 10 sulla linea indirizzi L pu? essere basata su un protocollo di comunicazione seriale ?zero-win?, simile ai protocolli di comunicazione seriale bus CAN (Controller Area Network) o I<2>C (Inter Integrated Circuit). In particolare, il pixel innescato 10 con l?indirizzo pi? basso ? il primo a prendere il controllo della linea indirizzi L e trasferisce in uscita il proprio indirizzo. Gli altri pixel 10 innescati si mettono in coda per prendere successivamente il controllo della linea indirizzi L, uno dopo l?altro.

L?elettronica di lettura 15 di ciascun pixel 10 comprende tre blocchi principali, ossia un blocco 16 di campionamento dello stato del pixel, un blocco 17 di scrittura indirizzo ed un blocco 18 di monitoraggio dello stato della linea indirizzi L, tutti in comunicazione con una porta seriale open-drain (o opencollector) 19 con resistenza di pull-up globale Rpull-up. La soluzione open-drain fa s? che, quando uno dei pixel 10 manda in conduzione la propria uscita, essa forza a livello basso la linea indirizzi L (livello logico zero); nel momento in cui l'uscita si disabilita, la linea indirizzi L viene riportata a livello alto (livello logico uno) dalla resistenza di pull-up globale Rpull-up.

Il blocco 16 di campionamento comprende preferibilmente un campionatore con registro ad 1 bit ed ? configurato per campionare lo stato del pixel 10, ossia se il pixel 10 ? innescato oppure no.

Il blocco 17 di scrittura comprende preferibilmente un registro a scorrimento ad esempio a 10 bit ed ? configurato per scrivere in modo seriale l?indirizzo Ip1,?,Ipb del pixel 10 innescato sulla linea indirizzi L.

Il blocco 18 di monitoraggio ? preferibilmente costituito da una macchina a stati finiti, la quale monitora lo stato della linea indirizzi L e, se la linea indirizzi L ? impegnata a scrivere l?indirizzo Ip1,?,Ipb di un altro pixel 10 innescato, la scrittura viene interrotta e ripetuta nel trasferimento dati successivo.

In particolare, ogni pixel 10 attiva la porta seriale open-drain 19 quando deve comunicare un bit pari a 0 del suo indirizzo, se invece deve comunicare un bit pari a 1, lascia la porta seriale open-drain 19 inattiva, in modo che la resistenza di pull-up globale Rpull-up porti ad 1 la linea indirizzi L. Se, mentre un pixel 10 sta comunicando un 1, un altro pixel 10 comunica uno 0 (attivando la sua porta seriale open drain 19) il primo pixel, ossia quello che comunicava l?1, si accorge che la linea indirizzi L ? stata portata a 0 da un altro pixel 10 e quindi smette di comunicare il suo indirizzo. Di conseguenza, il secondo pixel 10, ossia quello che comunicava lo 0, prende da solo possesso della linea indirizzi L, senza che il suo indirizzo sia in alcun modo alterato dal primo pixel 10.

Ai fini della lettura, nel caso di sistema 100 modulare e scalabile, la scelta di suddividere una matrice madre MM in matrici M (ad esempio matrici di 24x24 pixel, non per forza coincidenti con le dimensioni delle matrici M definite ai fini di rivelare l?evento) consente, vantaggiosamente, di impostare a livello logico 1 o a livello logico 0 la linea dati condivisa, in un tempo che consenta la comunicazione dell'indirizzo con una certa frequenza di clock, pur utilizzando transistor di dimensioni contenute.

Il sistema 100 secondo l?invenzione ? configurato per comunicare un numero n+1 di indirizzi, ossia un numero di indirizzi pari al numero n di fotoni F in coincidenza all?interno della finestra temporale, che l?utente desidera rivelare, aumentato di 1, in modo da poter identificare in post-processing se l?evento ? di coincidenza di esattamente n fotoni (in tal caso si avranno solo n indirizzi validi) o di pi? di n fotoni (in tal caso si avranno n+1 indirizzi validi).

Ad esempio, qualora l?utente desideri conoscere la coincidenza temporale di due fotoni, il sistema comunicher? tre indirizzi sulla linea indirizzi L. Infatti, sebbene per rivelare la posizione di una coppia di fotoni F in coincidenza temporale, e dato il basso tasso di fotoni coincidenti, in linea di principio sarebbero sufficienti due indirizzi Ip1,?,Ipb, dato il possibile elevato tasso di fotoni spuri, ad esempio proveniente dalla luce ambientale o da eventi innescati senza luce incidente (dovuti quindi al rumore intrinseco del fotorivelatore), ? preferibile avere pi? di due indirizzi, ad esempio tre indirizzi. Ci? al fine di controllare se un evento spurio ha invalidato la misurazione. In altri termini, la misurazione ? valida solo se il terzo indirizzo corrisponde ad un valore che non pu? essere assunto da nessun indirizzo di pixel (ossia non ? un indirizzo valido), il che significa che all'interno della finestra di coincidenza temporale non si ? verificato un terzo evento spurio.

Considerando un clock di riferimento di 100 MHz, il trasferimento dei dati di indirizzo dalla matrice M ? o da ciascuna matrice M in cui ? suddivisa la matrice madre MM nel caso di sistema 100 a struttura modulare e scalabile ? ad un banco di memoria finale da cui vengono letti i dati richiede circa 330 ns (considerando indirizzi a 10 bit). Questo ? il cosiddetto ?tempo morto? poich?, durante questo lasso temporale, la matrice M, o le matrici di una matrice madre MM, sono inattive. In altri termini tutti gli SPAD 12 dei pixel 10 sono disabilitati e non sono in grado di rivelare alcun nuovo fotone F in arrivo. Si tratta di un notevole miglioramento rispetto al ?tempo morto? della lettura di una matrice con l'approccio standard, che consiste nel comunicare lo stato di ogni pixel (mediante un singolo bit: 1 attivato, 0 non attivato). A titolo di esempio, per una matrice di 96x96 pixel M96 e clock di riferimento di 100 MHz, la scansione dell?intera matrice richiederebbe 92.600 ns.

Con riferimento alla Figura 9, verr? ora descritto un metodo per la rivelazione di fotoni secondo una forma di attuazione preferita dell?invenzione, condotto utilizzando il sistema di rivelazione 100 a singola matrice, sopra descritto ed illustrato con riferimento alle Figure 3, 4 ed 8.

Il metodo inizia al passo 200, in cui i pixel 10 della matrice M vengono abilitati selettivamente, ossia i pixel vengono resi selettivamente in grado di rilevare fotoni.

Il metodo prevede, quindi, una serie di passi 201, 202, 203, 204, 205, i quali vengono continuamente eseguiti ogni volta che un pixel viene innescato, oppure possono anche essere eseguiti in parallelo da pixel diversi, fino a quando i pixel non vengono disabilitati ad un successivo passo 206.

Dal passo 200, il metodo procede quindi al passo 201, durante il quale viene generato un numero di segnali digitali Sd1,?,Sdx, con n pari al numero di pixel 10 della matrice M su cui ha impattato un fotone F.

Dal passo 201, il metodo procede:

- al passo 202, in cui i segnali digitali Sd1,?,Sdx in uscita dalla matrice M entrano in corrispondenti trasduttori digitale/analogico 21 dell?elettronica 20 per la rivelazione di eventi della matrice M, in cui vengono convertiti in corrispondenti segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax;

- dal passo 202 al passo 203, in cui i segnali analogici quantizzati Sa1,?,Sax in uscita dai trasduttori digitale/analogico 21 entrano in un nodo sommatore analogico 22 dell?elettronica 20 per la rivelazione di eventi della matrice M, in cui vengono sommati, ottenendo un segnale analogico somma Sa, anch?esso quantizzato; e

- dal passo 203 al passo 204, in cui il segnale analogico Sout in uscita dal nodo sommatore analogico 22 viene convertito dal trasduttore analogico/digitale complessivo 24, in un numero di segnali digitali Sd1F,?,SdyF, corrispondenti al superamento di rispettive soglie (ad esempio di 1 fotone, ?, n fotoni).

In particolare, la fase di conversione analogico/digitale del segnale analogico Sout in uscita dal nodo sommatore analogico 22 consiste nel confrontare il segnale analogico di uscita Sout con almeno una prima soglia TH1, ad esempio TH1 corrispondente all?innesco di un numero N?1 di pixel 10, ed una seconda soglia TH2, corrispondente all?innesco, all?interno della finestra temporale di coincidenza, di un numero N?2 di pixel 10, rispettivamente nel primo comparatore 25 e nel secondo comparatore 26 del trasduttore analogico/digitale complessivo 24 dell?elettronica 20 per la rivelazione di eventi.

Il metodo procede al passo 205, in cui si verifica se ? stata superata una soglia impostata dall?utente e, in caso affermativo (passo 205, SI), il metodo procede al passo 206, in cui i pixel 10 della matrice M vengono disabilitati, ossia vengono resi insensibili ai fotoni incidenti, interrompendo l?esecuzione parallela dei passi da 201 a 205. Diversamente (passo 205, NO) si continua ad eseguire i passi da 201 a 205.

Dal passo 206, il metodo procede al passo 207, in cui, viene generato un segnale digitale di segnalazione evento Sdevento, corrispondente alla rivelazione, all?interno della finestra di coincidenza temporale, di un numero di fotoni pari al valore di soglia impostato dall?utente THtot.

Dal passo 207, il metodo procede al passo 208, in cui i pixel 10 innescati trasmettono un proprio indirizzo ad una linea indirizzi comune L.

Dal passo 208 il metodo ritorna al passo 200, in cui i pixel 10 della matrice M vengono tutti nuovamente abilitati.

Con riferimento alla Figura 10, verr? ora descritto un metodo per la rivelazione di fotoni secondo una forma di attuazione alternativa dell?invenzione, condotto utilizzando il sistema di rivelazione 100 nella sua versione modulare e scalabile, sopra descritto ed illustrato con riferimento alle Figure da 5 a 8.

Il metodo inizia al passo 300, in cui i pixel 10 della matrice madre MM vengono abilitati selettivamente.

Il metodo prevede, quindi, per ciascuna matrice M in cui ? suddivisa la matrice madre MM (ciascuna matrice ? indicata in Figura 10 con la giustapposizione di blocchi identici, ennuplicati), e procedendo in cascata fino al completamento della matrice madre MM, una serie di passi 301, 302, 303, 304, 305, i quali vengono continuamente eseguiti ogni volta che un pixel viene innescato, e possano anche essere eseguiti in parallelo da pixel diversi, fino a quando i pixel non vengono disabilitati ad un successivo passo 306.

Dal passo 300 il metodo procede quindi al passo 301, durante il quale viene generato un numero di segnali digitali Sd1,?Sdx, con n pari al numero di SPAD 12 della matrice M su cui ha impattato un fotone F, con conseguente innesco del rispettivo pixel 10.

Dal passo 301, il metodo procede:

- al passo 302, in cui i segnali digitali Sd1,?,Sdx in uscita dalla matrice M entrano in corrispondenti trasduttori digitale/analogico 21 dell?elettronica 20 per la rivelazione di eventi della matrice M, in cui vengono convertiti in corrispondenti segnali analogici quantizzati Sa1,?Sax;

- dal passo 302 al passo 303, in cui i segnali analogici quantizzati Sa1,?Sax in uscita dai trasduttori digitale/analogico 21 entrano in un nodo sommatore analogico 22 dell?elettronica 20 per la rivelazione di eventi della matrice M, in cui vengono sommati, ottenendo un segnale analogico somma Sa, anch?esso quantizzato; e

- dal passo 303 al passo 304, in cui il segnale analogico Sout in uscita dal nodo sommatore analogico 22 viene convertito dal trasduttore analogico/digitale complessivo 24, in un numero di segnali digitali Sd1F,?,SdyF, corrispondenti al superamento di rispettive soglie.

In particolare, la fase di conversione analogico/digitale del segnale analogico Sout in uscita dal nodo sommatore analogico 22 consiste nel confrontare il segnale analogico di uscita Sout con almeno una prima soglia TH1, ad esempio TH1 corrispondente all?innesco di un numero N?1 di pixel 10, ed una seconda soglia TH2, corrispondente all?innesco, all?interno della finestra temporale di coincidenza, di un numero N?2 di pixel 10, rispettivamente nel primo comparatore 25 e nel secondo comparatore 26 del trasduttore analogico/digitale complessivo 24 dell?elettronica 20 per la rivelazione di eventi.

Il metodo procede al passo 305, in cui si verifica se ? stata superata una soglia impostata dall?utente e, in caso affermativo (passo 305, SI), il metodo procede al passo 306, in cui vengono disabilitati i pixel 10 della matrice madre MM, interrompendo l?esecuzione parallela dei passi da 301 a 305. Diversamente (passo 305, NO) si continua ad eseguire i passi da 301 a 305.

Dal passo 306, il metodo procede al passo 307, in cui viene generato un segnale digitale di segnalazione evento Sdevento, corrispondente alla rivelazione, all?interno della finestra di coincidenza temporale, di un numero di fotoni pari al valore di soglia impostato dall?utente THtot.

Dal passo 307, il metodo procede al passo 308, in cui i pixel 10 innescati trasmettono un proprio indirizzo ad una linea indirizzi L comune.

Dal passo 308 il metodo ritorna al passo 300, in cui i pixel 10 della matrice madre MM vengono nuovamente abilitati.

Dalla descrizione qui sopra riportata ? evidente come il sistema ed il metodo per la rivelazione di fotoni, sopra descritti permettano di raggiungere gli scopi proposti.

? quindi evidente, ad un tecnico del ramo, che ? possibile apportare modifiche e varianti alla soluzione descritta con riferimento alle figure senza per questo fuoriuscire dall?ambito di protezione della presente invenzione come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI

1. Sistema (100) per la rivelazione di eventi di fotoni (F) comprendente almeno una matrice (M; MM) di pixel (10), ciascun pixel (10) comprendendo un fotorivelatore (12) ed un?elettronica di front-end (14), che produce in uscita un segnale digitale (Sd1,?,Sdx),

caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un?elettronica (20) per la rivelazione di eventi, la quale include:

- una pluralit? di trasduttori digitale/analogico (21), uno per ogni pixel (10) della matrice (M; MM), ciascun trasduttore digitale/analogico (21) essendo configurato per convertire il segnale digitale (Sd1,?,Sdx) in arrivo dal rispettivo pixel (10) in un corrispondente segnale analogico (Sa1,?,Sax) quantizzato in ampiezza ed in durata;

- un nodo sommatore analogico (22), a cui ? operativamente connessa la pluralit? di trasduttori digitale/analogico (21), configurato per sommare i segnali analogici (Sa1,?,Sax) quantizzati in arrivo dai trasduttori digitale/analogico (21), cos? da ottenere un segnale analogico somma (Sa); ed

- un trasduttore analogico/digitale complessivo (24) comprendente:

- almeno un primo comparatore (25) ed un secondo comparatore (26) operativamente connessi al nodo sommatore analogico (22),

in cui il primo comparatore (25) ? atto a confrontare un segnale (Sout) in uscita dal nodo sommatore analogico (22) con una prima soglia (TH1) corrispondente all?innesco, all?interno di una finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un primo valore predeterminato, ed

in cui il secondo comparatore (26) ? atto a confrontare il segnale (Sout) in uscita dal nodo sommatore analogico (22) con una seconda soglia (TH2) corrispondente all?innesco, all?interno di una finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un secondo valore predeterminato,

in cui il primo comparatore (25) ed il secondo comparatore (26) sono atti a generare in uscita un segnale digitale (Sd1F,?,SdyF) se il segnale (Sout) in uscita dal nodo sommatore analogico supera rispettivamente la prima soglia (TH1) o la seconda soglia (TH2), in modo tale da permettere la rivelazione di eventi, all?interno della finestra temporale di coincidenza, con numero di fotoni incidenti sulla matrice (M; MM) maggiore o uguale al primo o al secondo valore predeterminato.

2. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1, in cui la prima soglia (TH1) corrisponde all?innesco di un numero di pixel (10) maggiore o uguale ad uno e la seconda soglia (TH2) corrisponde all?innesco di un numero di pixel (10) maggiore o uguale a due.

3. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre un blocco di uscita (28), preferibilmente un multiplexer (28), configurato per generare un segnale digitale evento (Sdevento) in seguito al raggiungimento di una soglia (THtot) di fotoni (F) in coincidenza temporale impostata da un utente.

4. Sistema (100) secondo la rivendicazione 3, in cui ciascun pixel (10) della matrice (M; MM) comprende un?elettronica di lettura attivata da eventi (14), configurata per trasmettere, su una linea indirizzi comune (L), gli indirizzi (Ip1,?Ipb) dei pixel (10) innescati, a seguito della generazione del segnale digitale evento (Sdevento).

5. Sistema (100) secondo la rivendicazione 4, in cui l?elettronica di lettura attivata da eventi (14) di ciascun pixel (10) comprende un blocco (16) di campionamento dello stato del pixel, un blocco (17) di scrittura indirizzo ed un blocco (18) di monitoraggio dello stato della linea indirizzi (L), tutti in comunicazione con una porta seriale open-drain (19) con resistenza di pull-up globale (Rpull-up).

6. Sistema (100) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui sulla linea indirizzi (L) condivisa viene trasmesso un numero (n+1) di indirizzi, pari al numero (n) di pixel (10) innescati all?interno della finestra temporale, aumentato di una unit?, per verificare l?innesco di soli n e non pi? di n pixel (10).

7. Sistema (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, comprendente una matrice madre (MM) suddivisa in matrici (M), in cui le elettroniche (20) per la rivelazione di eventi delle matrici (M) sono tra di esse collegate in cascata senza soluzione di continuit?, in cui l?ultima elettronica (20) per la rivelazione di eventi della cascata ? collegata al blocco di uscita (28).

8. Sistema (100) secondo la rivendicazione 7, in cui il collegamento in cascata delle elettroniche (20) per la rivelazione di eventi delle matrici (M) segue un instradamento avente una ramificazione ricorsiva frattale ad albero H.

9. Sistema (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il fotorivelatore (12) di ciascun pixel (10) ? uno SPAD.

10. Metodo per la rivelazione di eventi di fotoni comprendente i passi, eseguiti in parallelo, di:

- generare (201; 301) almeno un segnale digitale (Sd1,?,Sdx) a seguito dell?impatto di un fotone (F) su uno o pi? pixel (10) di almeno una matrice di pixel (M; MM);

- convertire (202; 302) il segnale digitale (Sd1,?,Sdx) in arrivo dal rispettivo pixel innescato in un corrispondente segnale analogico (Sa1,?,Sax) quantizzato in ampiezza e durata;

- sommare (203; 303) i segnali analogici (Sa1,?,Sax) quantizzati in un nodo sommatore analogico (20), cos? da ottenere un segnale analogico somma (Sa);

- convertire (204; 304) un segnale (Sout) in uscita dal nodo sommatore analogico (22) in almeno due segnali digitali (Sd1F,?SdyF) se il segnale analogico supera rispettivamente due valori di soglia;

in cui la fase (204; 304) di conversione analogico/digitale comprende almeno le fasi di:

- confrontare il segnale (Sout) in uscita dal nodo sommatore analogico (22) con una prima soglia (TH1) corrispondente all?innesco, all?interno di una finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un primo valore predeterminato;

- confrontare il segnale (Sout) in uscita dal modo sommatore analogico con una seconda soglia (TH2) corrispondente all?innesco, all?interno della finestra temporale di coincidenza, di un numero di pixel maggiore o uguale ad un secondo valore predeterminato; e

- generare un segnale digitale (Sd1F,?,SdyF) se il segnale in uscita dal nodo sommatore analogico (22) supera rispettivamente la prima soglia o la seconda soglia, in modo tale da permettere la rivelazione, all?interno della finestra temporale di coincidenza, di eventi con numero di fotoni incidenti sulla matrice (M; MM) maggiore o uguale al primo o secondo valore predeterminato.

11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui la prima soglia (TH1) corrisponde all?innesco di un numero di pixel (10) maggiore o uguale ad uno e la seconda soglia (TH2) corrisponde all?innesco di un numero di pixel (10) maggiore o uguale a due.

12. Metodo secondo la rivendicazione 10 o 11, comprendente un passo preliminare (200; 300) di abilitare selettivamente i pixel (10) della matrice (M; MM) per renderli sensibili ai fotoni incidenti, il metodo comprendendo, inoltre, un passo (205; 305) di verificare il superamento di una soglia (TH1,?,THn) impostata da un utente e

- se la soglia (TH1,?,THn) non ? stata superata (205, NO; 305, NO), continuare ad eseguire i passi di:

- generare (201; 301) almeno un segnale digitale (Sd1,?,Sdx) a seguito dell?impatto di un fotone (F) su uno o pi? pixel (10) di almeno una matrice di pixel (M; MM);

- convertire (202; 302) il segnale digitale (Sd1,?,Sdx) in arrivo dal rispettivo pixel in un corrispondente segnale analogico (Sa1,?,Sax) quantizzato in ampiezza e durata;

- sommare (203; 303) i segnali analogici (Sa1,?,Sax) in un nodo sommatore analogico (20), cos? da ottenere un segnale analogico somma (Sa); e

- convertire (204; 304) un segnale (Sout) in uscita dal nodo sommatore analogico (22) in almeno due segnali digitali (Sd1F,?SdyF);

- altrimenti (205, SI; 305, SI), disabilitare (206; 306) i pixel (10) della matrice (M; MM).

13. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, comprendente inoltre un passo di generare (207; 307) un segnale digitale evento (Sdevento), in seguito al raggiungimento di una soglia (THtot) di fotoni (F) in coincidenza temporale impostata da un utente.

14. Metodo secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre un passo (208; 308) di trasmettere, su una linea indirizzi comune (L), gli indirizzi (Ip1,?,Ipb) dei pixel (10) innescati, a seguito della generazione del segnale digitale evento (Sdevento).

15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 14, in cui i passi di:

- generare (301) almeno un segnale digitale (Sd1,?,Sdx) a seguito dell?impatto di un fotone (F) su uno o pi? pixel (10) di almeno una matrice di pixel (M; MM);

- convertire (302) il segnale digitale (Sd1,?,Sdx) in arrivo dal rispettivo pixel in un corrispondente segnale analogico (Sa1,?,Sax) quantizzato in ampiezza e durata;

- sommare (303) i segnali analogici quantizzati (Sa1,?,Sax) in un nodo sommatore analogico (20), cos? da ottenere un segnale analogico somma (Sa); e

- convertire (304) un segnale (Sout) in uscita dal nodo sommatore analogico (22) in almeno due segnali digitali (Sd1F,?SdyF);

vengono ripetuti per tutte le matrici (M) in cui ? suddivisa una matrice madre (MM),

in cui gli almeno due segnali digitali (Sd1F,?SdyF) in uscita da una matrice (M) vengono trasmessi ad una matrice (M) successiva, fino al completamento della matrice madre (MM), secondo una configurazione a cascata senza soluzione di continuit?; ed

in cui gli almeno due segnali digitali (Sd1F,?SdyF) in uscita dalla matrice madre (MM) vengono trasmessi ad un blocco di uscita (28), il quale genera (307) un segnale digitale evento (Sdevento) in seguito al raggiungimento di una soglia (THtot) di fotoni (F) in coincidenza temporale impostata da un utente.