KR20240063146A

KR20240063146A - Spd 어레이들에서의 지속성 필터링

Info

Publication number: KR20240063146A
Application number: KR1020247012321A
Authority: KR
Inventors: 데어 템펠 바르트 반; 요하네스 빌렘 페테르스; 안드레 베르나르 미오데즈키; 크리스티앙 모라드
Original assignee: 보셀센서스, 소시에떼 아 헤스퐁사빌리떼 리미떼
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2024-05-09
Also published as: BE1029775B1; WO2023047245A1; CN117916563A; EP4241051B1; BE1029775A1; US20240406582A1; JP2024534413A; BE1029775B9; BE1029775A9; EP4241051A1; EP4471391A1

Abstract

본 발명은 SPD 어레이를 이용한 고속 이미징을 위한 시스템, 검출기 요소 및 방법, 그리고 SPD 어레이들을 위한 교정 루틴에 관한 것이다.

Description

SPD 어레이들에서의 지속성 필터링

본 발명은 단일 광자 검출기(single-photon detector, SPD)를 기반으로 한 고속 이미징을 위한 개선된 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 결과에서 거짓 긍정(false positive)이 필터링된다.

종래 기술에서, 스캐닝 능동 이미징에서, 광 빔, 일반적으로 레이저는 캡처될 영역 위로 이동되며, 상기 빔이 충돌하는 위치는 여러 이미지 센서들에 걸쳐 각 시점에서 기록된다. 상이한 포인트들(센서들)로부터의 위치에서의 차이들을 처리하여, 삼각 측량을 통해 조명 타겟까지의 유효 거리가 결정될 수 있다. 그런 측정은 복셀(voxel)을 캡처한다. 이 프로세스가 수행될 수 있는 속도인 복셀 속도는 한편으로는 광 빔으로 스캔하는 속도에 의해 제한되지만 다른 한편으로는 특히 배경 방사선(주변광) 및 일반 열 노이즈와 관련하여, 상기 반사된 광 빔들을 검출하기 위해 상기 센서들이 필요로 하는 처리 시간에 의해 (가장 강력하게) 제한된다. 이 두 번째 문제를 구체적으로 해결함으로써, 이미징은 크게 가속화될 수 있다.

따라서 종래 기술의 고속 이미징 시스템은 다수의 요구사항 및 문제들에 대처해야 했다. 첫 번째 문제는 입사 광자가 검출되는 정확도이다. 공간 해상도 측면에서 점점 더 높은 요구가 이루어지고 있으며, 그 결과 센서 어레이에 점점 더 많은 별도의 검출기들(픽셀들)이 필요하게 된다. 이는 모든 검출기를 읽고 출력 신호를 이미지로 처리하려면 향상된 컴퓨팅 성능이 필요하다는 것을 의미한다. 별도의 픽셀들은 항상 (반드시) 작아지기 때문에, 광자를 캡처하기 위한 공간적인 윈도우가 제한되어 있으므로 감광성도 높아져야만 한다. 추가로, 특정 처리 속도를 달성하는 것도 가능해야 한다. 초당 수천만개 또는 심지어는 수억개 복셀들의 복셀 속도를 달성하기 위해서, 각 복셀은 최대 10ns의 시간 범위 내에 캡처되어야 한다. 그 결과, 상기 센서는 예를 들어 10개의 광자들과 같은 제한된 광자 예산들 (즉, 검출을 위해 충분하게 센서에 입사하는 검출된 광자들)을 이용하여 작동하기에 또한 적합해야 한다. 처리를 위한 제한된 시간 범위를 감안하면, 제한된 수의 광자들만이 캡처될 수 있다.

이러한 이유로 SPD 또는 SPAD (single photon - avalanche - detector, 단일 광자 - 전자 사태(avalanche) - 검출기)와 같은 매우 민감한 검출기들이 종종 고려된다.

그러나, 상기 검출기는 증가된 감광도가 주변 광 및 열 잡음으로 인해 원치 않는 여기를 또한 유발한다는 본질적인 단점을 가지고 있다. 그 자체로 검출기 수준의 이러한 여기는 장면(scene)을 스캔하기 위해 시스템에 의해 의도적으로 방출되었던 반사광의 발생으로 인한 '진짜' 검출들과 구별하기 어렵다.

현재, 동시에 최소한의 오탐지 수를 검출하는 것을 보장할 수 있으면서 광자 예산과 같은 제안된 특성 하에서 원하는 검출 속도에 도달할 수 있는 센서 아키텍처 시스템이나 방법은 존재하지 않는다.

본 발명의 목적은 전술한 문제들 중 적어도 여러 개에 대한 해결책을 찾는 것이다.

본 발명은 청구항 1에 따른 개선된 고속 이미징 방법에 관한 것이다.

기존 SPD, 특히 SPAD 어레이가 특히 열 잡음 및 주변 광으로 인해 매우 많은 수의 거짓 긍정에 대처해야 하는 경우, 본 발명의 목적은 상기 랜덤한 거짓 검출 신호를 필터링하여 없애는 것이다. 기존 시스템에서 SPD 또는 SPAD에 충돌하는 각 광자는 검출 신호를 생성하며, 이는 상기 컴포넌트들이 광자 밀도가 낮은 경우에도 발생을 기록할 수 있도록 특별히 설계되어 속도와 해상도에 이점이 있다. SPD/SPAD 표면이 작을수록 표면당 더 많은 SPD/SPAD가 허용되며, 그래서 해상도가 더 높아지지만 광자 입사 위험도 낮아지며, 그래서 컴포넌트들의 감도가 더 높아져야 하며, 그래서 더 빠르게 트리거되어야 한다. 결과적으로, 거짓 긍정은 대부분의 시스템에서 불가피하며, 본 발명의 목적은 상기 거짓 긍정을 인식하고 이를 결과에서 필터링하여 없애며, (물체의 능동 조명 또는 시스템의 광원에 의한 장면에서 나오는) '실제' 광자 입사만 확인하려고 하는 것이다.

바람직한 실시예는 후속 청구범위에 기술된다.

제2 측면에서 본 발명은 바람직하게는 청구항 12, 13 및 14에 명시된 제1 측면에 따른 방법을 실행하기 위해 적합한 고속 이미징을 위한 검출기 요소 및 센서 시스템에 관한 것이다.

도 1a-c 및 2a-c는 조명 패턴(도 1a 및 2a)의 시간 경과, 능동 조명 신호를 사용한 광자 입사 검출(도 1b 및 2b) 및 능동 조명 신호가 없는 광자 입사 검출을 보여준다 (도 1c 및 2c).
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제1 지속 조건을 부과하는 회로를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제2 지속 조건을 부과하는 회로를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제3 지속 조건을 부과하는 회로를 도시한다.
도 6은 교정 회로와 결합된 본 발명의 실시예에 따라 제3 지속 조건을 부과하는 회로를 도시한다.
도 7은 교정 회로 및 국부적 일치 회로와 결합된, 본 발명의 실시예에 따라 제3 지속 조건을 부과하는 회로를 도시한다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 제1 교정 회로를 도시한다.
도 8b는 도 8a에 따른 교정 회로와 결합된, 본 발명의 실시예에 따라 지속 조건을 부과하는 회로를 도시한다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 제2 교정 회로를 도시한다.
도 9b는 도 9a에 따른 교정 회로 및 도 8a의 교정 회로와 결합된, 본 발명의 실시예에 따라 지속 조건을 부과하는 회로를 도시한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적, 과학적 용어를 포함하여 본 발명의 설명에 사용되는 모든 용어는 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 발명의 설명을 더 잘 평가하기 위해 다음 용어들을 명시적으로 설명한다.

"a", "an" 및 "the"는 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 본 문서에서 단수형과 복수형을 모두 의미한다. 예를 들어, "한 세그먼트"는 하나 이상의 세그먼트를 의미한다.

이 문서에서 측정 가능한 양, 매개변수, 기간 또는 순간 등에 대해 "대략" 또는 "약"이 사용되는 경우, +/-20% 이하, 바람직하게는 +/-10% 이하, 그 이상 바람직하게는 +/-5% 이하, 더욱 더 바람직하게는 +/-1% 이하, 심지어 더 바람직하게는 +/-0.1% 이하, 그리고 인용된 값은 이러한 변형들이 설명된 본 발명에서 적용 가능한 정도까지인 것으로 의미한다. 그러나, "대략" 또는 "약"이라는 용어가 사용되는 양의 값은 그 자체로 구체적으로 개시되는 것으로 이해되어야 한다.

용어 "포함하다", "포함하는", "구성하다", "구성됨", "제공되다", "함유하다", "함유함", "구비하다", "구비함", "보유하다", "보유함"은 동의어이며 그리고 종래 기술에서 알려지거나 개시된 다른 컴포넌트, 특성, 요소, 부재, 단계의 존재를 배제하거나 방해하지 않는 이어지는 것의 존재를 표시하는 포괄적이거나 개방적인 용어이다.

"픽셀"이라는 용어는 여기에서는 바람직하게는 SPD 또는 SPAD 형태의 감광 유닛 또는 검출기를 의미한다. 일반적으로, 상기 픽셀은 매트릭스와 같은 어레이로 제공된다.

여기서 "매크로픽셀"이라는 용어는 일반적으로 인접한 클러스터를 형성하는 여러 픽셀들 또는 검출기들을 포함하는 가상 픽셀을 의미한다. 상기 매크로픽셀은 시공간 조건들의 특정 세트와 연관될 수 있으며 크기, 형태 및 기타 매개변수 측면에서 상황에 따라 달라질 수 있다. 매크로픽셀들은 서로 부분적으로 겹칠 수 있으며 공통된 픽셀들 또는 검출기들을 가질 수 있다. 바람직하게는, 매크로픽셀은 정사각형 또는 직사각형 형태를 갖지만 대략적으로 원형 또는 타원형, 삼각형, 십자형 또는 별형이거나 다른 형태일 수도 있다. 매크로픽셀은 적어도 2개의 검출기(예를 들어, 2 x 1 또는 1 x 2 매트릭스 형태), 더 바람직하게는 적어도 4개의 검출기(예를 들어, 2 x 2)를 포함한다.

끝점들에 의한 인용 숫자 간격들은 상기 끝점들을 포함하는, 그 끝접들 사이의 모든 정수, 분수 및/또는 실수를 포함한다.

제1 측면에서, 본 발명은 복수의 단일 광자 검출기(single photon detector, SPD), 바람직하게는 단일 광자 사태 검출기(single photon avalanche detector, SPAD)를 포함하는 어레이에 기초한 고속 이미징 방법에 관한 것이며, 이는 다음 단계들을 포함한다:

a. 상기 SPD들에서 광자들을 캡처하는 단계 - 상기 SPD들이 검출 신호 C_ov를 생성하고 그 검출 신호를 평가 회로에 제공하며, 상기 검출 신호는 SPD에 의해 관찰이 발생할 때에 긍정적인 관찰 상태를 기술하며, 그리고 검출될 상기 전자기 방사선의 SPD에 의한 관찰이 없는 경우 부정적인 관찰 상태를 기술함 -;

b. SPD 별 평가 회로에 의해 SPD의 검출 신호들을 평가하며, 지속 조건은 검출될 전자기 방사선의 SPD에 대한 확인 신호를 생성하기 위해 SPD별 검출 신호들에 의해 충족되어야 하는, 평가 단계.

적어도 하나, 바람직하게는 모든 SPD에 대해 상기 지속 조건은 과거 N개의 관찰 윈도우들에 걸쳐, 바람직하게는 주기 T인 적어도 M개의, 바람직하게는 연속적인 관찰 윈도우들에서 상기 SPD에 대한 긍정적인 관찰 상태를 필요로 하며, M은 M은 1보다 크고 최대 N과 같다.

과거 N개의 관찰 윈도우들에서의 관찰 상태를 보면, 긍정적인 관찰 상태가 지속되는지, 그래서 이전 측정들에 의해 확인된 것인지 여부를 검증할 수 있다. 이러한 방식에서, 열 잡음 등에 의해 초래된 거짓 긍정(false positive)들이 결과에서 필터링된다. 과거 N개의 관찰 윈도우들 중 일정 수 또는 일정 비율이 긍정적인 관찰 상태를 또한 보여주는 경우에만 확인 신호에 기반하여 검출이 확인된다. 상기 평가는 픽셀 또는 SPD/SPAD 별로 로컬로 또는 중앙 집중식으로 수행될 수 있으며, 이에 의해 평가 컴포넌트 또는 회로에서 모든 SPD/SPAD (또는 SPD/SPAD의 하위 섹션)에 대해 수행된다.

N개의 관찰 윈도우 중 M개(연속적이든 아니든) 관찰 윈도우의 지속 조건은 대안의 방식으로 적용될 수도 있으며, 특히 과거 N개 관찰 윈도우의 M/N 백분율을 사용하여 적용될 수도 있음이 이해되어야 한다 (다시 말해, 상기 M이 연속적이라는 조건이 있거나 없는 경우로, 따라서 M은 일반적으로 N과 동일함).

더 구체적인 지속 조건들이 원하는 대로 (예를 들어, 긍정적인 관찰 상태를 갖는 과거 N개 중 적어도 M개 및 그 안에 적어도 P개의 연속적인 긍정적인 관찰 상태들; 최대 Q개의 연속적인 비긍정적인 관찰 상태; P개의 연속적인 긍정적 관찰 상태들 중 적어도 2, 3, ... 개의의 클러스터들; 등) 적용될 수 있음은 말할 필요도 없다. 이들의 조합 및 변형도 당연히 본 발명에 속한다.

앞서 언급한 방법을 사용하면 '능동(active)' 방사선이 일관되게 검출될 수 있으며, 그 이유는 일반적으로 상기 방사선은 특정 기간 동안 특정 영역에 광범위하게 충돌하여 열 잡음 및 기타 원치 않는 검출과는 다르게 지속 조건을 충족하기 때문이다.

제1의 바람직한 실시예에서, 상기 방법은 미리 정의된 조명 패턴에 기초하여 하나 또는 여러 개의 광원(레이저, LED 등)을 사용하여 스캐닝 광원(그 광원의 이미지가 형성되어야 함: 물체, 환경 등)으로 장면을 조명하는 단계를 포함한다. 상기 조명 패턴은 (일정한 길이 및/또는 간격을 갖거나 그렇지 않은) 시간적으로 분리된 광 펄스를 포함한다.

지속 조건이 부과되는 관찰 윈도우들은 광 펄스들 중 하나와 시간적으로 연관되며, 검출 신호는 SPD에 의한 관찰의 발생 또는 비발생(긍정적인 관찰 상태인지 아닌지)을 보여준다.

관찰 윈도우들을 광 펄스들에 일시적으로 연관시키는 것은 관찰 윈도우들이 크게 중첩하도록 (시작 및/또는 종료 시각의 관점에서) 관찰 윈도우의 타이밍을 조정하는 것이며, 그래서 관찰 윈도우에서 관찰된 방사선이 매우 높은 확률로 광 펄스들(따라서 열 잡음이나 기타 잡음 신호가 아님)에 링크될 수 있도록 한다.

본 출원인은 균형, 즉 조명 패턴에서의 광 펄스들의 수 (및 펄스 길이와 펄스들 사이의 시간) 그리고 시스템이 작동할 수 있는 원하는 속도를 찾아야 한다는 것에 주목했다. 더 많은 펄스/더 긴 펄스/더 긴 간격은, 모든 개별 위치에서 SPD에서의 신호를 평가하는 데 더 오랜 시간이 걸린다는 것을 의미한다. 이러한 이유로 N은 일반적으로 2와 10 사이, 바람직하게는 2와 7 사이, 더 바람직하게는 2와 5 사이, 예를 들어 2, 3, 4 또는 5로 설정된다.

바람직한 실시예에서, 관찰 윈도우들은 자신들이 여관된 광 펄스들과 크게 중첩하도록 설정되며 (즉, 광 펄스들의 시간 기간을 크게 덮지만 반드시 이에 국한되지는 않음), 이때에 시작 시각들이 실질적으로 일치한다 (그리고 그에 따라 관찰 윈도우의 시작 시각은 광 펄스의 시작 시각과 가장 이른 시기에 동시임). 실질적으로 일치한다는 것은 관찰 윈도우의 시작 시각이 광 펄스의 시작 시각 이후 0.0 ns와 1.0 ns 사이, 바람직하게는 최대 0.5 ns, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.1 ns 또는 심지어 0.05 ns에 있음을 암시한다.

결과적으로 관찰 윈도우 동안 충돌하는 (실질적으로) 모든 방사선은 광 펄스 기간으로부터의 이벤트에서 나온다는 것이 보장된다. 시작 시각은 비행 시간(time-of-flight)을 고려한 일부 플레이를 허용한다.

바람직한 실시예에서, 검출기에는 ??칭(quenching) 회로가 제공된다. 보다 바람직하게는 이것은 수동적 ??칭 회로이다. 대안으로, 이것은 능동적 ??칭 회로이다.

바람직한 실시예에서, 관찰 윈도우들은 연관된 광 펄스의 종료 시각 이후 0.0 ns와 25.0 ns 사이, 바람직하게는 0.05 ns와 15.0 ns 사이, 더욱 바람직하게는 상기 연관된 광 펄스의 종료 시각 이후 0.1 ns와 10.0 ns 사이의 종료 시각으로 설정된다. 위에서 설명한 대로, 이러한 타이밍은 광 펄스 기간 동안의 이벤트에서 나오는 방사선이 비행 시간을 고려하여 관찰 윈도우에서 캡처되도록 보장한다.

앞서 언급된 시작 및 종료 시각에 대한 제한을 동시에 적용하면, 광 펄스에 의해 발생하지 않으며 관찰 윈도우 동안에 캡처되는 광자들의 수가 가능한 최대로 줄어든다.

두 번째 대안적인 바람직한 실시예에서, 상기 방법은 하나 이상의 스캐닝 광원들로 장면을 조명하는 단계를 포함하며, 이로써 상기 광원들은 실질적으로 연속적으로 상기 장면을 조명한다. 이는 광원이 계속하여 그리고 실질적으로 일정한 강도로 조명한다는 것을 의미한다. 이 경우에 관찰 윈도우들이 보다 임의적으로 선택될 수 있으며, 관련이 있는 경우에는 인접하여 선택될 수 있다.

상기 광원들은 능동 및 제어된 광 신호를 방출하며, 그리고 결과적으로는 이미지가 형성될 장면/물체를 조명하기 위해 사용된다. SPD는 반사된 광자를 포착하고 검출 신호에 기초하여 상기 입사를 추가 컴포넌트에 등록하여, 조명받는 장면/물체의 이미지를 형성한다.

그래서 상기 방법은 광원(들)으로 장면이나 물체를 조명하는 단계를 포함하며, 상기 광원은 이산적(discrete) 또는 준이산적(quasi-discrete) 단계로 조명하며, 조명받는 각각의 이산적 또는 준이산적 위치에 대해 잠시 조명을 계속한 후에 다음 이산적 위치로 이동한다. 실제로, 본 명세서에서 "이산적 위치(discrete position)"라는 용어는 조명받는 특정 이산작 위치까지 내려오는 광원의 이산 방위를 의미한다. 조명하는 동안에 따라가는 이산적 위치의 '경로'는 무작위로 지정될 수 있지만 일반적으로 로우별(row per row) 또는 컬럼별(column per column) 스캔 패턴을 따른다. 그러나, 본 발명은 어떠한 방식으로든 이러한 측면으로 국한되지 않는다는 점에 유의할 필요가 있다. 여기서 "준 이산적"은 광원이 방위를 계속 변경하지만 (2개 이상) 연속 관찰 윈도우들의 경우에 조명 구역의 커버 거리가 매우 제한되고 속도가 매우 제한되며, 그리고 동일한 이산적 영역으로 간주될 수 있는 상황을 의미한다. 따라서 다음의 "이산적"은 준이산적을 포함하는 것으로 해석되어야할 필요가 있다.

바람직하게는, M 및/또는 N은 조정 가능하고, 훨씬 더 바람직하게는 심지어 SPD별로 조정 가능하다. 특정 실시예에서, 그것들은 동적으로 설정될 수 있으며, 그래서 상기 시스템이 SPD에 대한 다수 또는 소수의 잡음 검출(지속 조건이 충족되지 않게 하는 검출 신호들)을 검출하는 때에 그것들을 자동으로 적응하도록 한다. 그래서, 통계적으로 잡음이 거의 관찰되지 않는 SPD에서는 지속 조건이 완화될 수 있으며, 통계적으로 잡음이 많이 관찰되는 SPD에서는 지속 조건이 강화되어, 보다 빠르고 정확하게 작동할 수 있게 한다.

그러므로 M 및/또는 N을 개별적으로 조정 가능하게 만드는 것은 예를 들어 '누설 픽셀'을 가리킬 수 있는 능동 광이 없는 검출 신호로 많은 검출 윈도우들을 검출하는 경우와 같이 특정 SPD들을 더 민감하거나 덜 민감하게 만들기 위해 사용될 수 있다. 그것들은 필요한 경우 완전히 스위치 오프될 수도 있다.

바람직한 실시예에서, M 및/또는 N은 교정 루틴에 기초하여 자동으로 적응된다.

바람직한 실시예에서, 상기 지속 조건은 일치 조건을 충족하는 것과 결합된다. 이는 SPD에 의한 관찰의 경우 특정 SPD에서 광자의 입사가 단일이 아니라 공간적으로 클러스터된 광자들의 묶음의 입사를 수반한다는 가정을 기반으로 한다. 이에 기반하여 특정 기간에 한 SPD의 관측 상태 또는 확인 신호가 긍정적으로 나타나면 주변 SPD들의 관측 상태 또는 확인 신호를 검증하는 일치 조건이 부과된다.

상기 일치 조건은 지속 조건 이전 또는 이후에 부과될 수 있으며, 회로에 따라 어떤 방식으로든 더 효율적이다.

이러한 방식에서, 지속 조건을 충족하는 제1 SPD에 대해서, 일치 조건이 연속적으로 부과될 수 있으며, 일치 조건이 충족된 후에만 확인 신호가 생성된다. 바람직하게는, 상기 일치 조건은, 인접한 적어도 하나의 SPD(상기 제1 SPD에 인접함)도 지속 조건을 충족시킴 의미한다. 분명히 이는 상기 지속 조건을 충족해야 하는 인접 SPD들 중 적어도 2, 3, 4개 등으로 좁혀질 수 있다.

"인접 SPD"라는 용어는 바로 인접한 SPD들을 주로 의미한다. SPD들은 일반적으로 로우들 및 컬럼들의 직사각형 어레이 내에 제공되며, 이는 인접한 SPD들이 하나의 동일한 로우 및 이웃 컬럼 또는 하나의 동일한 컬럼과 이웃 로우에 위치한다는 것을 의미한다. 그러나, 이 용어는 예를 들어 대각선으로 인접한 SPD들(이웃 로우 및 이웃 컬럼)을 포함하도록 간단히 확장되거나 '반대편 이웃'도 여기에 포함되도록 훨씬 더 넓게 확장될 수 있다.

상기 일치 조건은 다양한 방법과 다양한 조건으로 부과될 수 있다. 그래서, 지속 조건을 충족하는 인접 SPD들의 개수가 조정될 수 있지만(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 그 이상), "인접"에 대한 정의도 조정될 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예에서 인접한 것은 "직접 인접한" 것으로 해석될 수 있지만, "대각선으로 인접한" SPD들도 또한 허용될 수 있으며 (제1 SPD가 직접 인접한 것과 다른 차원에서 제1의 직접 인접한 SPD에 직접 인접함), 이는 원래 SPD의 사전 정의된 간격 내에 있는 것으로 또한 정의된다 (따라서 반대편 이웃들도 허용함). 다시 말하지만, 이는 상황에 따라 달라질 수 있으며 시스템은 (예를 들면 교정 루틴을 통해) 이를 동적으로 조정할 수도 있다.

먼저 지속 조건을 부과하여 제1 필터링이 적용되며, 그 후에 상기 지속 조건에 따라 확인된 나머지 검출들에 대해서만 상기 일치 조건이 적용되어야 한다. 이 시퀀스는 계산상 가장 까다로운 조건(인접한 여러 SPD들의 신호들을 고려해야 하므로 일치 조건)이 더 적은 수의 신호에 적용되어야 한다는 것을 보장한다.

상기 제1 방법은 위치 (i,j)를 갖는 제1 SPD에 인접한 SPD들을 간단히 (i,j±1) 또는 (i±1,j) 좌표를 갖는 것으로 정의한다는 것을 의미한다. 대각선으로 인접한 SPD들을 추가하기 위해, 좌표 (i±1,j±1)를 가진 SPD들도 허용된다.

그래서 원한다면, "인접 SPD들"의 범위는 좌표 (i±2,j±1), (i±1,j±2), (i±2,j), (i, j±2)의 좌표들을 가진 SPD들로 또한 확장될 수 있으며, 다시 (i±2,j±2)로 보완될 수 있다.

추가 확장이 가능하며, 그 추가 확장이 암시적으로 본 발명의 일부로 간주된다는 것은 말할 필요도 없다.

따라서, 인접한 SPD의 정의에 기초한 일치 조건도 조정될 수 있으며, 이에 의해 모든 SPD에는 제1 SPD에 대한 어레이에서의 '거리'를 기반으로 가중치가 부여된다. 지속 조건이 충족되는 SPD들에서의 특정 가중치에 도달한 경우에만, 상기 제1 SPD에 대해 일치 조건이 충족된 것으로 간주된다.

역으로, 먼저 일치 조건은 (위에서 설명한 대로, 지속 조건을 충족하는 대신 상기 관찰 윈도우에서의 긍정적인 관찰 상태에 기반하여 관찰 윈도우마다) SPD에 대해 부과될 수 있으며, 일치 조건이 충족되는 SPD에 대해서만, 지속 조건 충족이 이후에 확인된다.

제2 측면에서 본 발명은 검출기 요소에 관한 것이며, 상기 검출기 요소는: 신호 C_ov를 생성하도록 구성된 단일 광자 검출기 (SPD), 바람직하게는 단일 광자 사태 검출기 (SPAD) - 상기 신호 C_ov는 연속적인 관찰 윈도우에 대해 검출될 전자기 방사선(광자들)의 SPD에 의한 관찰의 발생 또는 비발생 상태를 기술함 -; N은 1 이상의 자연수일 때에 적어도 N개의 이전 관찰 윈도우들의 종료 시 상기 SPD의 상태를 기억하는 메모리 요소; 현재 관찰 윈도우의 끝에서 그리고 상기 N개의 이전 관찰 윈도우들 중 적어도 M개의 관찰 윈도우들의 상기 SPD의 신호가 상기 SPD에 의한 관찰을 나타내는 경우 확인 신호를 생성하도록 구성된 논리 회로를 포함하며, M은 1 이상 N 이하의 자연수이다.

그러한 경우, 검출기 요소가 자체 관찰에 별도로 지속 조건을 부과하도록 하고, 이것이 충족되는 경우에만 확인 신호를 생성하여 중앙 처리 유닛에 전달하도록 하는 것이 가능하다. 이에 대한 가능한 실시예의 예는 본문 및 도면에서 추가로 논의된다.

대안으로, 상기 지속 조건은 검출기 요소를 더 단순하게 유지하기 위해 중앙 집중식으로 실행된다.

바람직한 실시예에서, 연속적인 광 펄스들은 적어도 0.5 ns, 바람직하게는 적어도 1.0 ns, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 2.5 ns, 가장 바람직하게는 적어도 5.0 ns 분리된다.

바람직한 실시예에서, 연속적인 광 펄스들은 최대 1000 ns, 바람직하게는 최대 500 ns, 훨씬 더 바람직하게는 최대 100 ns, 가장 바람직하게는 최대 50 ns 분리된다.

앞서 언급된 최소값과 최대값을 대응 범위에 결합하는 것이 가장 선호도가 높다.

바람직한 실시예에서, 미리 정의된 조명 패턴의 광 펄스들의 길이 그리고 연관된 관찰 윈도우의 길이는 1.0과 2.0 사이, 바람직하게는 1.0과 1.5 사이, 그리고 가장 바람직하게는 1.0과 1.25 사이에 위치한 비율을 갖는다. 이러한 방식에서, (상기 방법이 더 느려지도록) 관찰 윈도우를 불필요하게 길게 만들지 않으면서도, 광 펄스에 의해 발생하는 가능한 많은 신호가 관찰 윈도우에서 캡처되는 것이 보장된다.

바람직한 실시예에서, 과거 N개 윈도우들의 관찰 상태들은 SPAD 또는 중앙 처리 유닛 (상기 어레이의 여러 SPAD 또는 심지어 모든 SPAD에 대해 지속 조건을 부과함)의 메모리 요소에 의해 저장되며, 이로써 '구식' 관찰 상태들(이전의 N개 이상의 윈도우들)이 최신 윈도우들에 의해 덮어 쓰여진다. 그러한 메모리 요소는 플립플롭, DRAM(동적 RAM), SRAM(정적 RAM), 아날로그 메모리 요소 또는 기타 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

상기 관찰 상태를 적절한 논리 회로(예: 수정된 AND 포트)에 연결함으로써, 원하는 신호 처리가 달성되고 지속 조건을 충족할 때만 확인이 뒤따르는 것이 간단한 방식으로 보장될 수 있다.

논리 회로 (및 메모리 요소) 이전에, SPAD의 동작과 신호 처리를 서로 분리하기 위해 버퍼 요소가 제공되는 것이 바람직하다.

특정 실시예에서, 예를 들어 N이 2에 불과하면, 이전 관찰 윈도우로부터의 신호를 포함하고 이를 현재 관찰 윈도우의 신호와 함께 간단한 AND 포트와 같은 논리 회로에 공급하는 소위 지연 회로가 제공될 수 있다. 일반적으로 관찰 윈도우는 고정된 시간 간격으로 제공되므로, 이러한 회로는 많은 추가 컴포넌트들을 필요로 하지 않으면서 간단한 방식으로 실행될 수 있다. 또한, 상기 지속 조건은 SPAD 자체에 국지적으로 적용될 수 있으며, 그래서 추가 처리 유닛에 대한 (비) 확인 신호만이 제공된다.

이를 위해 가능성있는 추가 조정 및 개선과 결합한 가능한 여러 회로들이 도면들에 도시된다.

제3 측면에서 본 발명은 고속 이미징을 위한 센서 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 제2 측면에 따른 검출기 요소의 매트릭스/어레이; 및 상기 매트릭스/어레이의 검출기 요소를 판독하기 위한 회로를 포함한다. 검출기 요소에 자체 평가 회로를 제공함으로써, 계산 부하의 일부를 간단한 방식으로 분산될 수 있으며 확인 신호들만 중앙 판독 회로로 전달된다.

대안으로, 본 발명은 제3 측면에서 고속 이미징용 센서 시스템에 관한 것이며, 이 센서 시스템은:

a. 검출기 요소들의 매트릭스/어레이 - 상기 검출기 요소는 단일 광자 검출기 (SPD), 바람직하게는 단일 광자 사태 검출기 (SPAD)를 포함하며, 상기 SPD는 연속적인 관찰 윈도우들에 대해 검출될 전자기 방사선 (광자들)의 SPD에 의한 관찰의 발생 또는 비발생의 상태를 기술하는 신호 C_ov를 신호를 생성하도록 구성됨 -;

b. 상기 매트릭스/어레이 내 검출기 요소들의 상기 신호 C_ov를 판독하기 위한 논리 회로를 포함하며, 상기 언급된 논리 회로에는 하나 이상의 메모리 요소들이 제공된다.

이로써 상기 하나 이상의 메모리 요소들은 SPD 당 적어도 N개의 이전 관찰 윈도우들의 끝에서 SPD의 상태를 기억하도록 구성되며, N은 1 이상인 자연수이다. 상기 논리 회로는, 현재 관찰 윈도우의 끝에서 그리고 상기 SPD의 상기 N개의 이전 관찰 윈도우들 중 적어도 M개의 관찰 윈도우의 상기 SPD의 신호가 상기 SPD에 의한 관찰을 나타내는 경우 확인 신호를 생성하도록 구성되며, M은 1 이상 N 이하의 자연수이다. 이러한 방식에서, 상기 검출기 요소는 단순하게 유지되며 (따라서 더 작고, 저렴하고, 더 강력함) 계산 부하가 중앙에서 부담된다.

바람직한 실시예에서, 센서 시스템은 본 발명의 제1 측면에 따른 방법을 실행하도록 구성된다.

추가 측면에서, 본 발명은 복수의 단일 광자 검출기(SPD), 바람직하게는 단일 광자 사태 검출기(SPAD)를 포함하는 어레이를 포함하는 이미징 시스템을 교정하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 교정 기간 동안 적어도 두 개, 바람직하게는 적어도 세 개의 교정 윈도우들에서, 평가 회로 (하나의 평가 회로 또는 SPD 당, SPD들 그룹 당 또는 전체 시스템에 대한 것 중 어느 하나)에 의해 교정 기간에 걸쳐 관찰 상태/검출 신호를 모니터하는 것에 관한 것이다. 바람직하게는, 교정 윈도우들은 서로 시간적으로 분리되고, SPD들 어레이가 능동적으로 조명되지 않는(즉, 의도적으로, 시스템에 의해 제어되는 광원으로) 기간 동안 실행된다.

교정 윈도우들의 개수가 더 높게 설정될 수 있으며, 그래서 보다 철저하고 신뢰할 수 있는 분류를 가능하게 한다(예: 5, 6, 7, 8, 10개 이상의 교정 윈도우들). 교정 윈도우들은 연속적이거나 서로 분리될 수 있다.

SPD에 의한 관찰이 검출된 교정 윈도우 수에 따라 SPD는 여러 범주로 별도로 분류된다. 상황에 따라 분류 개수나 분류 방식이 설정될 수 있다. 그래서 두 클래스들이 선택되거나(신뢰할 수 있음 - 신뢰할 수 없음) 두 개가 넘는 클래스들이 선택될 수 있다.

상기 분류는 SPD가 잡음 등에 어느 정도 민감한지의 정도를 나타내며, 이미징을 위한 추가 검출 신호 처리에 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 교정 방법은 (이것보다 이전인) 이전 측면에 따른 본 발명의 관점에서 적용될 수 있고, SPD의 신호의 추가 처리는 그 분류에 기초하여 조정될 수 있으며, 더 구체적으로 지속 조건은, 상기 조건의 강화 또는 완화(M이 더 높거나 더 낮음, 심지어 지속 조건의 완전한 비활성화 또는 M = 1) 및/또는 너무 큰 오류가 검출되는 (예: 긍정적인 관찰 상태가 통계적으로 너무 자주 검출 신호에 의해 표시되는 비명 소리) 특정 SPD의 비활성화와 같은 앞서 언급된 분류에 기초한 SPD에 적합하다.

제1 실시예에서, SPD들은 신뢰도를 나타내는 높은 우선순위(HP) 및 낮은 우선순위(LP)의 두 가지 분류로 분할될 수 있다. HP SPD는 더 안정적인 것으로 간주되며 LP SPD보다 더 완화된 지속 조건 및/또는 일치 조건 하에서 작동할 수 있다. 비제한적인 예에서, LP SPD는 교정 윈도우의 적어도 T%에서 긍정적인 관찰 상태를 가지며, 이에 따라 T는 바람직하게는 적어도 50%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 66% 또는 심지어 75%이다.

추가로, 선택에 따라 추가 분류(중간 우선순위 또는 MP, 높은 중간 우선순위, HMP, 낮은 중간 우선순위 LMP 등)가 제공될 수 있으며, 모두 SPD에 대한 교정 윈도우에서 검출된 긍정적인 관찰 상태들의 특정 범위의 백분률과 연관된 이미징 동안의 별도의 처리 방식(더 엄격하거나 더 완화된 지속 조건)과 연관된다.

상기 조건들의 적응은 교정 레벨에서의 매 감소에 대해 (HP에서 LP로 감소) 단순하게 M이 1씩 증가하는 것처럼 매우 다양할 수 있지만, 그것은 모든 범주 변화에 대해 상이한 적응일 수도 있다.

특정 분류에 속하는 적응된 지속 조건 및/또는 일치 조건은 미리 설정되어 있으며, 평가 회로들은 그 고전들을 적절하게 실행하도록 구성된다.

바람직한 실시예에서, 과거 N개 교정 윈도우들의 관찰 상태들은 SPAD 또는 중앙 처리 유닛 (상기 어레이의 여러 SPAD 또는 심지어 모든 SPAD에 대해 지속 조건을 부과함)의 메모리 요소에 의해 저장되며, 이로써 '구식' 관찰 상태들(이전의 N개 이상의 윈도우들)이 최신 윈도우들에 의해 덮어 쓰여진다. 그러한 메모리 요소는 플립플롭, DRAM(동적 RAM), SRAM(정적 RAM), 아날로그 메모리 요소 또는 기타 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

상기 관찰 상태들을 적절한 논리 회로(예: 수정된 AND 포트)에 링크함으로써 SPD가 원하는 대로 분류되는 것이 간단한 방식에서 보장될 수 있다.

특정 실시예에서, 예를 들어 N이 2에 불과하면, 이전 교정 윈도우로부터의 신호를 포함하고 이를 현재 교정 윈도우의 신호와 함께 간단한 AND 포트와 같은 논리 회로에 공급하는 소위 지연 회로가 제공될 수 있다. 일반적으로 관찰 윈도우는 고정된 시간 간격으로 제공되므로, 이러한 회로는 많은 추가 컴포넌트들을 필요로 하지 않으면서 간단한 방식으로 실행될 수 있다. 추가로, 상기 교정은 SPAD 자체에 국지적으로 적용될 수 있다.

이전 관찰 윈도우의 모든 픽셀에 상태 정보를 유지하는 것은, 예를 들어, 플립플롭을 사용하는 것뿐만 아니라 SRAM 및/또는 DRAM 요소와 같은 메모리 요소, 또는 부하를 절약할 수 있게 하는 간단한 기생 커패시터들을 사용하는 것을 통해 매우 다양한 구현을 통해 가능하지만, 본 발명은 그것들로 국한되지는 않는다.

이어지는 내용에서, 본 발명은 본 발명을 설명하는 비제한적인 실시예에 의해 기술되며, 이는 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 없으며 제한한다고 해석되어서는 안 된다.

사례들

도 1a-c는 본 발명의 가능한 실시예에 대한 방출 및 수신 신호를 도시한다.

도 1a는 특정 SPD에서 광원에 의한 조명의 시간 경과를 보여주며, 이에 따라 펄스 조명 패턴은 고정된 길이와 주기를 가진 구형파(1)로 유지되며, 모든 주기 동안 장면은 한동안 광원에 의해 능동적으로 조명되며 한동안 광원에 의해 능동적으로 조명되지 않는다.

도 1b는 SPD에 대해 검출된 이벤트를 보여 주며, 모든 이벤트(3a, 3b, 3c)는 SPD에서 광자의 입사를 보여준다. 상기 이벤트들의 일부는 주변 광, 랜덤 노이즈 또는 오류 신호(3b, 3c)의 결과이고, 상기 이벤트들의 일부는 광원(3a)에 의해 방출된 광자들로부터 온다. 원칙적으로, 통계적으로 제1 그룹은 랜덤 분포를 가지며 제2 그룹은 광원이 빛을 방출하는 기간에 있을 것이다.

관찰 윈도우(2; W₁, W₂, W_N)도 도 1b에서 볼 수 있으며, 이 경우에도 SPD의 관찰 상태가 등록된 고정 길이 및 고정 기간이 있다 (관찰 윈도우 동안에 광자 입사 검출 가능).. 능동 신호로 조명함으로써, (조명 구형파에 속하는) 관찰 윈도우에서 하나 이상의 이벤트가 검출될 가능성이 높다.

도 1c는 광원에 의한 조명의 결과인 이벤트 없이 검출된 이벤트(3b, 3c)를 표시된 관찰 윈도우와 다시 함께 마지막으로 보여준다.

일부 관찰 윈도우에서, 검출된 이벤트의 랜덤 분포로 인해 이벤트(3c)가 여전히 발생하고 SPD에서 입사 광자를 검출한 것으로 잘못 간주될 수 있다는 것이 도 1c에서 분명하다. 그러나, 예를 들어 2개의 연속 관찰 윈도우(또는 부과된 지속 조건에 따라 3개 또는 3개 중 2개 등)에서 지속 조건을 부과함으로써, 긍정적인 관찰 상태가 관찰되어야 하며 (즉, 관찰 윈도우에서 검출된 이벤트)우), 상기 랜덤 이벤트가 더 이상 상기 이미징에서 '실제' 검출로 평가되지 않는 것이 보장된다. 도 1c는 긍정적인 관찰 상태를 가진 하나의 관찰 윈도우만 실제로 보여준다.

그러나, 능동 신호로 조명한 결과로서인 '실제 이벤트'(3a)는, 도 1b에서 두 개의 연속(그리고 심지어 전체) 관찰 윈도우들에서 긍정적인 관찰 상태가 관찰된다는 점을 고려하면 실제로 확인되며, 그러면 지속 조건이 충족된다.

도 2a-c는 동일한 그래프를 보여 주지만 도 2a에서 볼 수 있듯이 광이 펄스가 아니라 연속적이라는 차이점이 있다. 도 2b는 관찰 윈도우의 조명으로 인해 발생한 이벤트들만을 보여준다.

도 3은 본 발명에 따른 SPD 검출기 요소를 위한 가능한 회로를 도시하며, 이를 위해 (옵션의) 일치 조건이 회로(4)를 통해 지속 조건 이후에 또한 부과된다. 이에 의해 두 개의 연속 관찰 윈도우들이 긍정적인 관찰 상태를 보여야 하는 지속 조건이 부과된다.

광자 검출기 SPD 또는 SPAD(5)는 접지에 대한 전압 V_BE에 걸쳐 저항기와 직렬로 연결된다. 검출기에 광자가 입사하는 경우, 이로 인해 검출기가 파손되고 저항기를 통과하는 전류(또는, 다른 말로 하면, 검출기와 저항기 사이 지점에서의 전압 변화)가 발생한다. 저항기가 있는 상기 회로를 "수동적 ??칭(passive quenching)"이라고 한다. "능동적 ??치" 회로와 같은 다른 "??칭" 회로도 적용 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

이어서, 측정된 전압을 이산 신호로 변환하는 펄스 검출기가 제공된다 (1은 긍정적인 관찰 상태를 나타내며, 또는 그래서 관찰 윈도우 동안 광자 입사의 검출을 나타내며; 그리고 0은 부정적인 관찰 상태 또는 따라서 비-검출을 나타낸다).

관찰 윈도우 click_T_n _-1의 관찰 상태를 나타내는 신호는 실제로 관찰 윈도우의 주기에 따라 (관찰 윈도우의 상승 에지로 플립플롭을 클록함으로써) 플립플롭(FF)을 통해 지연되어 제공되며, 상기 관찰 상태를 관찰 윈도우 click_T_n에 속하는 것으로 나타내는 '새로운' 현재의 신호와 AND 포트를 통해 이후에 결합된다. 두 관찰 상태가 모두 긍정적이면. 그래서 AND 포트는 출력에서 1-확인 신호를 전달하며, 이는 예를 들어 이웃 검출기 요소(6)로부터의 신호와의 조합과 같은 신호들의 추가 처리에 사용될 수 있다.

도 3을 기반으로, 논리 회로를 통해 원하는 지속 조건을 부과하는 추가 플립플롭 컴포넌트들 또는 메모리 요소들을 제공함으로써 훨씬 더 많은 관찰 상태가 간단히 포함될 수 있다는 것이 이해된다.

도 4는, 제1 플립플롭(FF1)이 SPD(5)의 검출 신호를 사용하여 제1 플립플롭(FF1)을 클록킹하며, 그래서 이것이 관찰 윈도우 동안 발생할 때 (그래서 상기 신호는 1을 생성할 때에) FF1도 또한 1을 클록킹하는 추가 적응을 보여준다. 관찰 윈도우(신호 = 0)가 없으면, 0은 제2 플립플롭(FF2)에 대한 입력으로도 클록킹되며, 여기에서 관찰 윈도우의 하강 에지는 (관찰 윈도우가 아님) 이번에는 클록 트리거 역할을 하여, 그래서 다음 관찰 윈도우로부터의 관찰 상태("click_Tn")가 제1 플립플롭으로부터의 데이터 출력 Q로 올 때에, 이전 관찰 윈도우의 관찰 상태("click_Tn-1")는 제2 플립플롭에 있으며, 이는 이어지는AND 포트와 이후에 결합된다.

지연을 사용하는 추가 플립플롭을 추가함으로써, 3개의 연속 긍정적 관찰 상태들과 같은 추가 조건이 부과될 수 있다.

이것에는 일치 조건을 부과하는 하나 이상의 회로(4)가 다시 뒤따를 수 있다.

도 5는 과거 N개의 관찰 상태들이 N개의 메모리 요소(7)에서 유지되는 회로를 보여준다. 관찰 상태를 판단하는 상기 회로는 SPD(5)의 신호를 플립플롭(FF)의 클럭으로 유도하고, 그에 의해 관찰 윈도우의 신호는 플립플롭(FF)에 대한 데이터 입력(D)으로 작용하여, SPD가 관찰 윈도우에서 광자 입사를 검출하면 데이터 출력(Q) 1이 생성되고, 광자 입사가 없으면 데이터 출력(Q) 0이 생성된다.

플립플롭으로부터의 신호는 연속적인 메모리 요소에 저장되며, 그에 의해 상기 메모리 요소는 주기적으로 저장 장치로 작동한다. 상기 메모리 요소는 내부에 저장된 신호를 자신의 세팅에 따라 지속 조건을 부과하는 논리 회로에 제공한다. 당업자는 간단한 컴포넌트들을 사용하여 회로 내의 조건을 간단히 변환할 수 있으므로 여기서는 더 이상 설명되지 않을 것이다. 도 5에서는, 편의상 N개 입력 -AND 포트가 제공되며, 그래서 상기 지속 조건은 과거 N개 관찰 윈도우 중 N에서 확인 신호를 생성하기 위해 광자 입사가 검출되어야 할 것을 (그리고 그 후에 예를 들어 일치 조건을 부과할 수 있는 처리 유닛에게 추가로 공급될 것을) 필요로 한다.

도 6은 설명에서 기술된 루틴에 따라 작동하는 교정 회로(9)가 도 5의 회로에 보충된 회로를 보여준다. 교정 루틴 및 교정 조건의 결과에 기초하여, 높은 우선 순위(HP) 또는 낮은 우선 순위(LP)가 이 경우에 SPD(5)에게 할당되며, 결과적으로 HP의 경우 관찰 상태에는 더 이상 지속 조건이 적용되지 않으며, 즉시 확인 신호로 이어진다. LP 분류를 사용하면 더 엄격한 지속 조건이 적용되며, 이 경우 확인 신호가 생성되기 전 과거 N개 관찰 윈도우들에서 다시 N개의 긍정적인 관찰 상태들이 생성된다. 문제가 검출되면(예: SPD 포화됨) 스위치(8)를 통해 교정 루틴을 통해 SPD는 또한 스위치 오프될 수 있다.

도 7에서, 확인 신호들이 추가 처리 유닛으로 전달되기 전에 로컬로 일치 조건이 그 확인 신호들에 적용된다. 일치조건의 정확한 전개에 대해서는 특히 PCT/IB2021/054688, BE2020/5975 및 BE2021/5521을 참고한다. 이에 의해 도 6의 지속 회로로부터의 확인 신호는 적합한 버스로 전달되기 전에 일치 회로(10)에 의해 처리된다.

도 8a는 교정 회로(9a)를 통해 SPD(5)에 제1의 가능한 교정 조건, 즉 과거 N 교정 윈도우에 걸쳐 광자 입사가 없음을 부과하는 회로의 가능한 적용을 보여준다. 들어오는 'click' 신호는 광자 입사(검출 신호)의 가능한 검출을 나타내며, 이는 이후에 교정 루틴이 실행 중인지 여부를 나타내는 신호와 함께 인버터를 통해 OR 포트로 송신된다. 상기 조합은 광자 입사(검출 신호로서 1)가 있고 교정 루틴이 실행 중인 경우에만 0의 결과가 된다 (따라서 교정 조건은 상기 교정 윈도우에서 충족되지 않는다). OR 포트의 출력은 플립플롭(FF)의 반전된 Q 출력과 함께 NAND 포트로 전달된다. NAND 포트의 출력은 플립플롭의 데이터 입력 D로 이동하며, 이는 각 교정 윈도우의 시작을 기반으로 클럭킹된다. 광자 입사가 발생하지 않는 한, 데이터 입력으로 전달된 신호는 0으로 유지되고 반전된 Q 출력(QN)은 1을 생성하며, 이는 NAND 포트를 통해 데이터 입력과 다음 교정 윈도우의 "새로은" 신호로 다시 루프백되며, 이는 그러므로 광자 입사가 없는 한 1을 생성한다(그 이유는 'click'은 그러면 0이고 1이 OR 포트에 전달되면 반전되어 NAND 포트에 1을 전달하기 때문임).

교정 루틴이 계속 실행되는 동안 (그리고 ZerobG_EnableN = 1), 플립플롭(FF)은 이 루프를 계속 반복한다. 하나의 광자 입사가 검출되자마자, 플립플롭은 반전된 NAND 포트를 통해 항상 1을 생성하는 반전 출력으로 0을 생성하며, 그래서 0의 반전 출력을 루핑하는 것을 다시 계속한다.

결과 신호 ZerobG는 지속 루틴으로부터의 신호를 교정 조건 충족시키는가의 여부로서 분류하기 위해 후속하여 사용되며, 그래서 도 8b 회로 내 포트들을 통해 HP 또는 LP 출력으로 사용할 수 있다.

도 9a는 도 8a의 교정 회로에 추가로, SPD(5)에 대한 가능한 분류를 더욱 확장하는 또 다른 제2 교정 회로(9b)를 제공할 수 있는 가능성을 보여준다. 도 8a의 교정 회로(9a)가 어떤 SPD가 배경 복사(또는 열 잡음 등)에 민감하지 않은가 (또는 덜 민감한가) 판별하려고 시도하는 경우, 상기 제2 교정 회로는 포화된 SPD들이 존재하는지 여부를 판단하는 것을 목표로 하며, 이는 다른 말로 하면 항상 검출을 나타낼 것이다.

SPD의 신호("click")는 교정 루틴의 신호와 함께 AND 포트에 반전되어 전달된다. 이 교정 루틴이 실행 중이고(noSaT_Enable = 1), 광자 입사 또는 광자 이벤트가 검출되면("click" = 1), 이는 AND 포트에서 0을 생성하고 이벤트가 없으면 1을 생성한다.

AND 포트로부터의 신호는 플립플롭(FF)의 루프된 데이터 출력 Q와 함께 OR 포트에 입력된다. OR 포트의 결과는 그러면 교정 윈도우의 클럭 신호와 함께 플립플롭에 대한 데이터 입력이다.

이벤트가 없으면 (OR 포트에 대한 신호 1), 이는 자동으로 데이터 입력에 1을 생성하고 데이터 출력 Q에 1을 자동으로 생성한다. 1의 상기 데이터 출력 Q는 OR 포트(자동으로 다시 1)로 돌아가서 데이터 입력으로 가며, 이는 그래서 다시 1이 되며, 이와 같이 계속 루프된다. 이는 상기 제2 교정 루틴 동안에 이벤트가 발생하지 않는 교정 윈도우가 (적어도 하나) 있는 경우, 교정 회로가 1을 제공할 것이라는 것을 의미하며, 이는 SPD가 포화되지 않았음을 의미한다.

모든 교정 윈도우에서 이벤트가 발생하는 경우 (click = 1), OR 포트는 (AND 포트 이후) SPD 로부터 0을 항상 수신하며, 이는 후속하여 플립플롭(FF)의 데이터 출력 Q에 대한 1 신호가 선행되지 않는 한 계속해서 루프를 수행한다. 연속 이벤트의 경우, 상기 제2 교정 회로의 출력은 그러므로 SPD가 포화되었음을 나타내는 0을 생성할 것이다. noSaT가 0(포화)인 경우, 이벤트가 항상 보일 것이기 때문에 ZerobG는 항상 신호로 0을 가질 것이다.

결과 신호 noSaT는 이후 지속 루틴으로부터의 신호를 제2 교정 조건을 충족시키는가의 여부를 분류하기 위해 사용되며, 그래서 도 9b의 회로에서는, 도 8a의 제1 교정 회로 및 그에 따른 신호 ZerobG와 함께, SPD들을 분류하고 결과 처리를 조정하기 위해 사용된다.

따라서, noSaT가 0(포화 SPD)이고 따라서 ZerobG도 0인 상기 제시된 회로는 지속 조건을 충족하더라도 항상 SPD로부터의 신호를 거부하게 될 것이다.

반면, 포화되지 않은 SPD(noSaT=1)의 경우, ZerobG는 해당 SPD를 높은 우선순위로 처리할지, 낮은 우선순위로 처리할지를 결정한다.

마지막으로 noSaT가 0(포화 SPD)이면 추가 회로(8)를 통해 SPD가 또한 스위치 오프될 것이다.

본 발명은 위에서 설명된 실시예에 제한되지 않고, 상기 설명된 예에 다수의 수정 또는 변경이 추가된 청구범위를 재평가하지 않으면서 추가될 수 있다고 가정된다.

Claims

복수의 단일 광자 검출기들 SPD들 (single photon detectors)(5), 바람직하게는 단일 광자 사태 검출기 SPAD들 (single photon avalanche detectors)(5)를 포함하는 어레이에 기초한 고속 이미징 방법으로, 상기 방법은:
c. 상기 SPD들(5)에서 광자들을 캡처하는 단계 - 상기 SPD들(5)이 검출 신호 C_ov를 생성하고 그 검출 신호를 평가 회로에 제공하며, 상기 검출 신호는 검출될 전자기 방사선의 SPD(5)에 의해 관찰이 발생할 때에 긍정적인 관찰 상태를 기술하며, 그리고 검출될 상기 전자기 방사선의 SPD(5)에 의한 관찰이 없는 경우 부정적인 관찰 상태를 기술함 -;
d. SPD(5)별 평가 회로에 의해 SPD(5)의 검출 신호들을 평가하는 단계를 포함하며, 지속 조건은 상기 SPD(5)에 대한 확인 신호를 생성하기 위해 SPD별 검출 신호들에 의해 충족되어야 하며;
적어도 하나, 바람직하게는 모든 SPD(5)에 대해 상기 지속 조건은 과거 N개의 관찰 윈도우들(2)에 걸쳐, 바람직하게는 주기 T인 적어도 M개의, 바람직하게는 연속적인 관찰 윈도우들(2)에서 SPD(5)에 대한 긍정적인 관찰 상태를 필요로 하며, M은 M은 1보다 크고 최대 N과 같은 것을 특징으로 하는 고속 이미징 방법.
제1항에 있어서, 시간적으로 분리된 광 펄스들을 포함하는 미리 정의된 조명 패턴에 기초하여 하나 이상의 스캐닝 광원들로 장면을 조명하는 단계를 포함하고,
상기 윈도우들(2) 각각은 상기 광 펄스들 중 하나와 시간적으로 연관되고, 상기 검출 신호는 상기 관찰 윈도우들(2)과 연관된 광 펄스의 결과로서 SPD(5)에 의한 관찰의 발생 또는 비발생을 보여주는, 고속 이미징 방법.
제2항에 있어서, 상기 상기 관찰 윈도우들은 상기 연관된 광 펄스의 시작 시각과 실질적으로 일치하는 시작 시각을 가지며, 실질적으로 일치한다는 것은 상기 관찰 윈도우(2)의 시작 시각이 상기 광 펄스의 시작 시각 이후 0 ns와 최대 1.0 ns, 바람직하게는 최대 0.5 ns, 더 바람직하게는 최대 0.1 ns 사이에 있는, 고속 이미징 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 관찰 윈도우들(2)은, 상기 연관된 광 펄스의 종료 시각 이후 0.0 ns와 25.0 ns 사이에, 바람직하게는 0.05 ns와 15.0 ns 사이에, 보다 바람직하게는 상기 연관된 광 펄스의 종료 시각 이후 0.1ns와 10.0ns 사이에 있는 종료 시각을 가지는, 고속 이미징 방법.
제1항에 있어서, 하나 이상의 스캐닝 광원들로 장면을 조명하는 단계를 포함하고, 상기 광원들은 상기 장면을 실질적으로 연속적으로 조명하는, 고속 이미징 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, M 및/또는 N은 조정 가능하고, 바람직하게는 SPD(5)마다 조정 가능한, 고속 이미징 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 일치 조건이 충족되면 상기 지속 조건을 충족하는 제1 SPD에 대한 확인 신호가 생성되고, 상기 일치 조건은 상기 관찰 윈도우에 대한 적어도 하나의 다른 SPD에 의해 상기 지속 조건을 충족할 것을 필요로 하며, 상기 적어도 하나의 다른 SPD는 상기 지속 조건을 충족하는 상기 제1 SPD에 인접한, 고속 이미징 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 일치 조건과 지속 조건이 충족되면 제1 SPD에 대한 확인 신호가 생성되며, 상기 평가 회로는 상기 일치 조건을 부과한 후 상기 지속 조건을 부과하고 상기 일치 조건을 충족하는 SPD(5)에 대해서만 지속 조건을 부과하도록 구성되며, 상기 일치 조건은 긍정적인 관찰 상태를 가진 검출 신호를 상기 제1 SPD(5)가 수신하는 것으로부터 일정 시간 간격 내에 긍정적인 관찰 상태를 가진 검출 신호를 적어도 하나의 다른 SPD(5)가 수신하는 것을 포함하며, 상기 적어도 하나의 다른 SPD(5)는 상기 일치 조건이 부과된 제1 SPD(5)에 인접한, 고속 이미징 방법.
제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어레이 내 SPD(5)는 실질적으로 직사각형 매트릭스 내에 위치하며, 상기 SPD(5)는 다른 SPD(5)에 인접하며, 이때에 상기 SPD(5)는 매트릭스 위치 i,j를 가지며, i는 상기 매트릭스 내 로우이고 j는 컬럼이며, 그리고 상기 다른 SPD(5)는 매트릭스 위치 i,j±1를 가지며, 옵션으로는 매트릭스 위치 i±1,j 또는 i±1,j±1를 가지는, 고속 이미징 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 이미징 이전에 교정 루틴이 실행되고, 상기 교정 루틴은 다음 단계들:
a. 교정 기간 내 적어도 2개, 바람직하게는 적어도 3개의 교정 윈도우들에서 상기 교정 기간에 걸쳐 SPD(5)마다 상기 평가 회로에 의해 상기 SPD(5)의 검출 신호들을 모니터하는 단계 - 상기 교정 윈도우들은 서로 시간적으로 분리되며, 그리고 상기 교정 기간 동안 SPD(5)는 하나 또는 여러 광원들에 의해 능동적으로 조명되지 않음 -;
b. SPD(5)에 의한 관찰이 발생하는 교정 윈도우들 수에 기초하여 SPD(5)를 분류하는 단계를 포함하는, 고속 이미징 방법.
제10항에 있어서, SPD(5)는 적어도 2개, 바람직하게는 3개의 분류들에 걸쳐 분류되고, 상기 SPD(5)의 분류와 연관된 지속 조건이 상기 SPD(5)에 대한 확인 신호를 생성하기 위해 부과되는, 고속 이미징 방법.
전자기 방사선을 검출하기 위한 검출기 요소(6)로서, 상기 검출기 요소는:
a. 신호 C_ov를 생성하도록 구성된 단일 광자 검출기 SPD(5), 바람직하게는 단일 광자 사태 검출기 SPAD(5) - 상기 신호 C_ov는 연속적인 관찰 윈도우(2)에 대해 검출될 전자기 방사선의 SPD(5)에 의한 관찰의 발생 또는 비발생 상태를 기술함 -;
b. N은 1 이상의 자연수일 때에 적어도 N개의 이전 관찰 윈도우들(2)의 종료 시 상기 SPD(5)의 상태를 기억하는 메모리 요소(7);
c. 현재 관찰 윈도우(2)의 끝에서 그리고 상기 N개의 이전 관찰 윈도우들(2) 중 적어도 M개의 관찰 윈도우들로부터 상기 SPD의 신호가 상기 SPD(5)에 의한 관찰을 나타내는 경우 확인 신호를 생성하도록 구성된 논리 회로(4)를 포함하며, M은 1 이상 N 이하의 자연수인, 검출기 요소.
고속 이미징용 센서 시스템으로, 상기 센서 시스템은:
a. 제12항에 따른 검출기 요소들(6)의 매트릭스/어레이;
b. 상기 매트릭스/어레이 내 상기 검출기 요소들(6)을 판독하기 위한 회로(4)를 포함하는, 센서 시스템.
고속 이미징용 센서 시스템으로, 상기 센서 시스템은:
a. 검출기 요소들(6)의 매트릭스/어레이 - 상기 검출기 요소(6)는 단일 광자 검출기 SPD(5), 바람직하게는 단일 광자 사태 검출기 SPAD(5)를 포함하며, 상기 SPD(5)는 연속적인 관찰 윈도우들(2)에 대해 검출될 전자기 방사선 (광자들)의 SPD(5)에 의한 관찰의 발생 또는 비발생의 상태를 기술하는 신호 C_ov를 신호를 생성하도록 구성됨 -;
b. 상기 매트릭스/어레이 내 검출기 요소들(6)의 상기 신호 C_ov를 판독하기 위한 논리 회로(4)를 포함하며, 상기 논리 회로(4)에는 하나 이상의 메모리 요소들(7)이 제공되며;
상기 하나 이상의 메모리 요소들(7)은 SPD(5)당 적어도 N개의 이전 관찰 윈도우들(2)의 끝에서 SPD(5)의 상태를 기억하도록 구성되며, N은 1 이상인 자연수이며;
현재 관찰 윈도우(2)의 끝 및 SPD(5)의 N개의 이전 관찰 윈도우들(2) 중 적어도 M개의 이전 관찰 윈도우들에서 상기 SPD(5)의 신호가 상기 SPD(5)에 의한 관찰을 표시하는 경우 상기 논리 회로(4)는 SPD(5)에 대한 확인 신호를 생성하도록 구성되며, M은 1보다 크거나 같고 최대 N인 자연수인, 센서 시스템.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 센서 시스템은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 구성된, 센서 시스템.