基于SPAD的设备的动态范围扩展

技术领域

本公开属于用于需要大动态范围的测量(诸如护理点测试、电子鼻应用和环境辐射感测)的基于SPAD的设备的领域。

背景技术

在发光和荧光辐射传感器领域中需要检测具有大动态范围(DR)的辐射发射。这种传感器可以例如用于护理点(PoC)测试或电子鼻(E-nose)类型的应用或环境辐射传感器应用。

在PoC应用中，流体或空气中生物或化学物质的存在可以通过它们与互补物质的相互作用来检测，这可能导致化学发光或荧光辐射发射。发射的辐射的水平可以在极低水平和极高水平之间动态地变化。为了实现完整的信号捕获，适用于这种应用的辐射传感器必须表现出非常高的动态范围。

基于单光子雪崩二极管(SPAD)的光子计数器通过对各个光子进行计数来提供检测非常低水平的辐射的能力。可检测信号的最低水平可能由于暗计数率(DCR)而受到噪声的限制。可检测信号的最高水平可能受到SPAD二极管本身的速度、与SPAD相关联的计数器的容量和/或相关电路的能力的限制。在一些应用中，这可限制基于SPAD的传感器的动态范围。

一些传感器实施方式可包括大量SPAD以便改善低辐射水平下的信噪比。然而，这样大量的SPAD可能导致相关联电路的增加，从而潜在地进一步限制可实现的动态范围。

在其他现有技术的传感器实施方式中，可在单个设备内与一个或多个针孔(pinhole)组合地使用不同的SPAD区域，以便调整入射在不同SPAD区域上的辐射强度。例如，可以实现在黑色介质中具有移位孔的堆叠针孔以减少入射辐射的强度。实施这种解决方案的传感器可能很大，可能需要附加组件，并且可能表现出相对差的信噪比。

因此，期望提供一种适合于PoC测试或电子鼻应用的具有大动态范围的辐射传感器，而不损害信噪比，或者不需要附加组件或不需要显著增加设备尺寸。

因此，本公开的至少一个方面的至少一个实施例的目的是消除或至少减轻现有技术的上述缺点中的至少一个。

发明内容

本公开属于基于SPAD的设备领域，并且具体地涉及具有适用于护理点测试、电子鼻应用和环境辐射感测应用的大动态范围的基于SPAD的设备。

根据本公开的第一方面，提供了一种辐射敏感设备，其包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)和被配置为相关于入射辐射的强度适配多个SPAD的读出速率的电路。

有利的是，通过适配读出速率，可以相应地适配给定SPAD可用于检测光子撞击的时间量。由于每个SPAD在每个读出周期之间只能记录单个光子撞击事件，例如在相对高强度的入射辐射期间具有相对长的读出时间可能导致大量的多个SPAD没有记录光子撞击事件，从而限制了可以测量的辐射强度。通过相关于入射辐射的强度适配读出速率，可以最小化没有记录光子撞击事件的SPAD的量，因此可以增加辐射敏感设备的动态范围，同时保持足够的信噪比。

该电路可以被配置为响应于入射辐射的强度超过阈值来增加读出速率。该电路可以被配置为响应于入射辐射的强度等于或低于阈值来减小读出速率。

有利的是，阈值，例如预定阈值，可以定义确保维持足够的信噪比、同时还提供辐射敏感设备的增加的动态范围所需的读出速率。例如，通过适配读出速率，可以测量的辐射强度的极限被相应地适配。通过改变读出速率，可以在给定读出周期内读出的多个SPAD中的SPAD的量也可以改变。有益的是，定义阈值可以实现可用SPAD的量和读出速率之间的折衷，从而有效地折衷动态范围的可实现信噪比。已经认识到，在高强度水平的入射辐射下，有足够的信噪比，使得较小数量的SPAD就足够了，因此允许更高的读出速率，从而允许更大的动态范围。

阈值可以是可编程的。

有利的是，阈值可以由用户可编程字段来定义，从而能够在动态范围和可实现的信噪比之间实现可编程的折衷。例如，该设备可以具有用于定义一个或多个阈值的一个或多个可编程寄存器。

在一些实施例中，可以定义多个阈值。例如，随着入射辐射的强度从低于第一阈值增加到高于第一阈值，多个SPAD中的至少一些的读出速率可以从第一速率增加到更高的第二速率。如果入射辐射的强度进一步从低于第二阈值增加到高于第二阈值，则多个SPAD中的至少一些的读出速率可以进一步从第二速率增加到更高的第三速率。应该理解的是，如果入射辐射的强度减小到跨越阈值，例如第二或第一阈值，那么多个SPAD中的至少一些的读出速率将相应地减小。

可以通过读出多个SPAD的至少一部分的一个或多个循环来确定入射辐射的强度。

有利的是，对入射辐射的强度的确定可以用于确定读出速率，并因此确定可以被读出的SPAD的量，用于随后对入射辐射的强度的确定。

该电路可以被配置为相关于入射辐射的强度来适配所读出的多个SPAD中的SPAD的量。

有利的是，可以读出满足所需信噪比所需的最小量的SPAD。通过最小化被读出的SPAD的量，可以最大化整体读出速率。也就是说，对于包括数量为“Num

当入射辐射的强度高时，少量的SPAD可以被读出以确定该强度。当入射辐射的强度相对较低时，相对大量的SPAD可以被读出以确定该强度。

有利的是，在入射辐射的强度处于高水平时，可能不需要相对大量的SPAD来实现期望的信噪比，因此可以使用相对少量的SPAD来增加SPAD的整体读出速率。相同的原理适用于相对低水平的入射辐射的强度，其中可能需要相对大量的SPAD来实现期望的信噪比，因此可以使用更大量的SPAD，从而减小SPAD的整体读出速率。

多个SPAD中的每个SPAD可以具有用于寄存光子撞击的相关联的单位(single-bit)计数器。

有利的是，通过仅将单位计数器与每个SPAD相关联，可以最小化辐射敏感设备的整体尺寸。一种可替换的架构可以采用每个SPAD多位计数器来最小化丢失光子撞击事件的可能性，这可能导致与更大的整体设备面积相关的成本。

应当理解，单位计数器可以是锁存器或开关。也就是说，在一些实施例中，单位计数器可以是被配置为记录事件(例如锁存信号)的一个或多个电路组件。这种单位计数器可以以由SPAD的读出速率定义的速率被清零，例如复位。

此外，术语“读出”将被理解为对应于确定单位计数器是否被设置的过程，例如锁存器已经锁存了光子撞击事件。例如，读出SPAD阵列将包括确定与SPAD相关联的哪个单位计数器已经计数(例如锁存)光子撞击事件的电路。

读出速率可以取决于要被读出的SPAD的量。

如上所述，读出速率可以被定义为1/(Num

该电路可以包括控制回路，该控制回路被配置为基于入射辐射的强度的一个或多个测量来适配读出速率和要为一个或多个后续强度测量读出的对应的SPAD的量。

有利的是，控制回路的提供使得辐射敏感设备能够动态地适配变化的条件。例如，随着入射辐射的强度的增加，该设备可以相应地适配所使用的SPAD的量和/或读出速率，以确保可以以足够的信噪比进行入射辐射的强度的准确测量。这样，通过在启动阶段设置一个或多个阈值，包括辐射敏感设备的系统随后以一定程度的自主性运行，响应于入射辐射的强度的变化水平，动态地适配读出速率和对应的SPAD的量。

根据本公开的第二方面，提供了一种增加包括多个SPAD的辐射敏感设备的动态范围的方法，该方法包括相关于入射辐射的强度适配多个SPAD的读出速率。

有利的是，通过适配读出速率，可以相应地适配SPAD可用于检测光子撞击的时间量。通过相关于入射辐射的强度适配读出速率，可以最小化没有记录光子撞击事件的SPAD的数量，因此可以增加辐射敏感设备的动态范围，同时保持足够的信噪比。

该方法可以包括相关于入射辐射的强度适配读出的多个SPAD中的SPAD的量。

该方法可以包括当入射辐射的强度高时读出少量的SPAD，以及当入射辐射的强度相对低时读出相对大量的SPAD。

根据本公开的第三方面，提供了根据第一方面的辐射敏感设备在护理点测试或诊断应用或电子鼻应用中的使用，以确定来自样本的发光和/或荧光的强度。

在这种护理点测试或诊断应用或电子鼻应用中，特别需要检测具有非常大动态范围的辐射发射，因为由生物或化学物质与互补物质之间的相互作用而发射的化学发光或荧光辐射的水平可能在极低和极高水平之间动态变化。

根据本公开的第四方面，提供了一种电子鼻或护理点装置，包括根据第一方面的辐射敏感设备，其中辐射敏感设备被配置为确定来自样本的发光和/或荧光的强度。

根据本公开的第四方面，提供了一种在环境辐射感测应用中使用根据第一方面的辐射敏感设备的方法。

辐射敏感设备可以在诸如相机(例如智能手机上的相机)的成像设备中实现，用于确定环境辐射水平。所确定的环境辐射水平可以用于适配由成像设备捕获的图像。所确定的环境辐射水平可以用于配置为像设备，例如控制光圈、闪光灯等的操作。

辐射敏感设备可以用于确定环境辐射水平以调整屏幕或显示器的亮度。

以上发明内容仅仅是示例性的而非限制性的。本公开包括单独或以各种组合的一个或多个对应的方面、实施例或特征，无论是否以该组合或单独具体陈述(包括要求保护)。应当理解，根据本公开的任何方面的在上面定义的特征或下面涉及本公开的任何具体实施例的特征可以在任何其他方面或实施例中单独地或与任何其他定义的特征组合地使用，或者形成本公开的另一方面或实施例。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的这些和其他方面，附图中：

图1示出了根据本公开实施例的基于SPAD的传感器架构；

图2是根据本发明实施例的示出作为入射辐射的强度的函数的所需SPAD的量的图；

图3是根据本发明实施例的示出相对于SPAD的相关联读出速率所需的SPAD的量的图；和

图4描绘了根据本发明实施例的辐射敏感设备。

具体实施方式

已经认识到，在一些应用中，为了增加基于SPAD的设备中的信噪比(SNR)，例如，为了准确地检测非常低的光水平，实现大量SPAD可能是有益的。也就是说，这样的设备可以实现包括数百或甚至数千个SPAD的SPAD阵列，以便以充足的SNR准确地测量入射辐射的强度。

然而，可由给定SPAD阵列测量的最大辐射强度可由其饱和水平确定。

当光子速率达到SPAD设备本身可以执行检测的速率的极限时，可能发生饱和。例如，基于SPAD的设备可以对光子撞击事件进行计数的最快速率由光子撞击事件与SPAD的恢复时间之间的时间确定。恢复时间是给定SPAD恢复并再次准备好所需的时间。这在本领域中被称为“死区时间(dead time)”。根据所实现的特定淬灭(quenching)电路，该恢复时间可以在几十纳秒或更长的范围内。例如，对于100纳秒的死区时间，每个SPAD的最大理论光子计数将是每秒10

饱和可另外或替代地在与SPAD相关联的电路(例如，附接到每个SPAD的读取和计数电路)达到极限时发生。

在一些示例中，每个单个SPAD具有专用的读出带宽，用于寄存光子撞击事件。这导致给定架构的最大可测量信号受到物理限制。

例如，在一些示例中，每个SPAD仅具有单个锁存器来存储光子撞击事件，例如单位计数器。该锁存器可以在每次读取时复位。最小读出间隔是读出所有这些锁存器所需的时间。

图1描绘了根据本发明实施例的基于SPAD的传感器架构100的示例，该传感器架构100包括SPAD和相关联的单位计数器。图1的基于SPAD的传感器架构100提供了本公开的示例，即使用包括多个SPAD的辐射敏感设备来确定入射辐射的强度，其中电路被配置为相关于入射辐射的强度来适配多个SPAD的读出速率。

应当理解，图1仅是示例实施例，并且被提供用于解释本公开的原理的目的。例如，其他实施例可包括实质上更大的SPAD阵列和相关联的单位计数器。例如，一些实施例可以包括具有数百或甚至数千个SPAD的阵列。此外，体现本公开的示例性设备，诸如适用于POC或电子鼻应用的传感器，可包括多个SPAD阵列。

图1的基于SPAD的传感器架构100包括多个SPAD 105-0至105-N。图1的每个SPAD具有相关联的单位计数器110-0至110-N。在一些实施例中，单位计数器110-0至110-N可以使用锁存器、开关等来实现。

单位计数器110-0至110-N可以耦合到处理电路115。

这种处理电路115可以被配置为使用多个SPAD 105-0至105-N中的至少一个来确定入射辐射的强度，其中多个SPAD 105-0至105-N的读出速率可以相关于入射辐射的强度进行适配。

本公开的实施例基于以下原理：当多个SPAD一起用于测量光强度时，(统计)信噪比与以下两个参数的平方根成比例：(1)测量中使用的SPAD的数量，以及(2)进行测量的时间窗口。

这样，本公开的实施例有效地为动态范围折衷了在高辐射水平下过多的SNR，如下面更详细描述的。已经认识到，随着被测量的辐射强度(即信号水平)增加，必须进行测量的时间窗口的尺寸减小。

关于图1的基于SPAD的传感器架构100，由于每个SPAD 105-0至105-N仅具有单位计数器110-0至110-N来存储光子撞击事件，所以该单位计数器需要在每次被读取时被复位，以避免丢失其他光子撞击事件。读出间隔是读取所有单位计数器110-0至110-N所需的时间

“Num

由于每个SPAD 105-0至105-N在每个读出周期之间只能记录一个事件，因此每个SPAD 105-0至105-N每秒可以读取的光子的最大数量可以定义为：

其中：

-SPAD

-Num

-T

-DCR是暗计数率。

一旦入射辐射的强度增加，使得在读出周期中每个SPAD 105-0至105-N有一个以上的光子到达，光子撞击事件的记录可能被丢失。

在本发明的实施例中，处理电路115可以被配置为检测入射辐射的强度是否已经显著增加到最小值以上，对于该最小值，需要所有SPAD 105-0至105-N来实现必要的SNR。例如，在一些实施例中，处理电路可以实现控制系统和/或控制回路。

例如，处理电路115可以被配置为基于在一个或多个读出间隔期间设置的单位计数器110-0至110-N的数量来确定入射辐射的强度。如果处理电路115确定入射辐射的强度高于最小水平，则可以适配在该时间间隔中可以读出的SPAD 105-0至105-N的量，因此可以相应地适配SPAD 105-0至105-N的读出速率。

例如，如果入射辐射的强度是由满足SNR所需的最小水平所定义的上述阈值的两倍，则处理电路115可以被配置为在每个时间间隔期间仅开始读出SPAD 105-0至105-N中的四分之一。也就是说，当辐射强度水平加倍时，具有来自等于Num

这样，读出时间可以减少到四分之一，即读出速率可以增加。因此，可以读取的最大辐射水平也增加到四倍。

在一些实施例中，处理电路可以被配置为实现多个这样的阈值，以相应地减少或增加SPAD的数量和相关联的读出速率，如下面参考图1更详细描述的。

图1的示例性实施例表示基于SPAD的传感器架构100，其被设计成使得用于测量辐射强度的SPAD 105-0至105-N的数量随着与辐射水平本身的大小成对数关系而减小。仅出于示例的目的，这被示为包括64个SPAD 105-0至105-N的阵列，每个SPAD具有相关联的单位计数器110-0至110-N，例如锁存器。将理解，在其它实施例中，可实施更大或更小的SPAD105-0至105-N的阵列。也就是说，在图1的示例中，“Num

出于示例的目的，将描述从低强度的入射辐射开始的使用情况。默认地，处理电路可以被配置为以第一读出速率读出所有SPAD 105-0至105-N，如等式1所定义的。读出间隔，即读取所有单位计数器所需的时间，将是64×100ns＝6.4us。因此，SPAD 105-N将以每秒156250次的最大速率读出。

如果入射辐射的强度增加到预定阈值以上，则被读出的SPAD 105-N的量可以减少，并且对应的读出速率可以增加。例如，在一些实施例中可以由用户编程的预定阈值可以对应于在给定读出间隔内检测光子撞击事件的SPAD 105-N的量。预定阈值可以对应于使用平均、外推和/或内插的过程从多个读出间隔中检测光子撞击事件的SPAD 105-N的量。也就是说，在一些实施例中，入射辐射的强度可以通过读出SPAD 105-N或SPAD的活动子集的一个或多个周期来确定，如下面更详细描述的。

被配置为读取和复位每个单位计数器110-0至110-N的处理电路115可以确定已经达到或超过了这样的阈值。处理电路115然后可以选择SPAD105-0至105-N的第一子集120用于入射辐射的强度的后续测量。在一些实施例中，当强度被确定为低于阈值时，第一子集120可以对应于用于测量入射辐射的SPAD 105-0至105-N的四分之一。

也就是说，在一些实施例中，处理电路115可以包括控制回路，该控制回路被配置为基于入射辐射的强度的一个或多个测量来适配读出速率和要为一个或多个后续强度测量读出的相关联的对应的SPAD的量。

尽管图1描绘了包括相邻SPAD的第一子集120，但是应当理解，这仅仅是出于示例的目的，并且在其他实施例中，形成第一子集120的SPAD或者实际上任何子集120、125可以不必彼此相邻。也就是说，在一些实施例中，被选择来形成子集120、125的SPAD 105-0至105-N可以被散布或以其他方式分组在阵列内。

只需要四分之一的SPAD来以所需SNR测量入射辐射的强度，读出间隔将变成16×100ns＝1.6us。也就是说，读出间隔也减少到四分之一，因此读出速率增加到四倍，达到1/1.6us＝625000次每秒。增加的读出速率直接增加了可以测量的入射辐射的最大强度，从而增加了基于SPAD的传感器架构100的动态范围。

继续图1的示例，如果入射辐射的强度增加到高于第二预定阈值，则被读出的SPAD105-0至105-N的量可以进一步减少，并且对应的读出速率可以进一步增加。在一些实施例中，第二阈值以及实际上可以实现的多个阈值中的任何阈值可以由用户编程。

被配置为读取和复位每个单位计数器110-0至110-N的处理电路115可以确定已经达到或超过了这样的第二阈值。处理电路115然后可以选择SPAD的第二子集125用于入射辐射的强度的后续测量。在一些实施例中，第二子集125可以对应于第一子集120中使用的SPAD的四分之一。也就是说，在一些实施例中，第二子集125可以由SPAD 105-0至105-N的第一子集120的子集形成。

仅需要先前量的四分之一的SPAD来以所需SNR测量入射辐射的强度，例如总量的十六分之一的SPAD，读出间隔将变成4×100ns＝0.4us。也就是说，读出间隔也进一步减少到四分之一，因此读出速率进一步增加到四倍，达到1/0.4us＝2,500,000次每秒。读出速率的进一步增加直接增加了可以测量的入射辐射的最大强度，从而增加了基于SPAD的传感器架构100的动态范围。

这样，当入射辐射的强度高时，可以读出相对少量的SPAD，例如子集125，以确定该强度，而当入射辐射的强度相对低时，可以读出相对大量的SPAD，例如子集120或所有SPAD105-0至105-N，以确定该强度。

这种操作原理在图2和图3的图中描述。图2示出了相对于入射辐射的强度的可用于测量入射辐射的SPAD的量。仅出于示例的目的，入射辐射的强度已经被缩放，使得值“1”表示最小值，对于该最小值，需要所有SPAD来实现必要的SNR。

在该示例中，可以看出，需要1024个SPAD来以必要的SNR测量入射辐射的强度。

图表的x轴表示时间。随着入射辐射的强度随时间增加，达到对应于入射辐射的强度增加到两倍的第一阈值。在这个阶段，体现本发明的设备的处理电路将确定已经达到或超过阈值，并且用于后续测量的SPAD的量将减小到四分之一，达到256。示出了作为用于测量的SPAD的数量的函数的归一化读出速率的对应的图3，示出了当超过阈值时，读出速率也增加到四倍。也就是说，随着所使用的SPAD的数量从1024减少到256，读出速率增加到四倍，从0.0156增加到0.625。应当注意，出于示例的目的，读出速率已经被缩放，使得最大值为“1”，并且实际的读出速率将取决于读出和复位与每个SPAD相关联的锁存器所需的时间，例如如上所述的“T

图2和图3进一步描述了随着入射辐射的强度的增加和减小，SPAD的数量以及相关联的读出速率可以如何被相应地适配。也就是说，可以相关于入射辐射的强度来适配多个SPAD的读出速率。

图4描绘了根据本发明实施例的包括辐射敏感设备420的装置400。在一些示例实施例中，装置400可以是用于护理点(PoC)测试或电子鼻(E-nose)类型应用或环境辐射传感器应用的装置。

辐射敏感设备420包括多个SPAD 405。多个SPAD 405可以被布置为SPAD 405的一个或多个阵列。

辐射敏感设备420还包括多个单位计数器410，例如锁存器。多个单位计数器410中的每个单位计数器与多个SPAD 405中的SPAD相关联，如上文参考图1所描述。SPAD 405和相关联的单位计数器410可以根据图1的基于SPAD的传感器架构100来布置。

辐射敏感设备420还包括处理电路415。在一些实施例中，处理电路415可以被配置为控制多个SPAD 405。例如，在一些实施例中，处理电路415可以被配置为控制SPAD 405的淬灭，和/或一个或多个SPAD 405的复位或启用。处理电路415还可以被配置为检测一个或多个故障SPAD 405。

在一些实施例中，处理电路415可以被配置为读取单位计数器410。在一些实施例中，处理电路415还可以被配置为根据需要复位单位计数器410。处理电路415可以包括CPU、微控制器、状态机、组合逻辑等中的至少一个。

在一些实施例中，处理电路415可以被配置为使用多个SPAD 405中的至少一个来确定入射辐射的强度，其中多个SPAD的读出速率相关于入射辐射的强度来适配。

在一些实施例中，孔、透镜、光学盖、光栅或一个或多个其他光学设备可以设置在SPAD 405和辐射源之间。这种设备可以例如被配置为聚焦和/或漫射入射到SPAD 405上的辐射。在一些实施例中，可以堆叠一个或多个孔，以形成针孔或移位孔的堆叠。这种堆叠可以设置在SPAD 405上或紧邻SPAD405设置。在这样的实施例中，辐射敏感设备420的SPAD405中的至少一些可能比其他SPAD遭受更低强度的入射辐射。通过使用这种移位孔，结合任何上述技术，可以进一步增加辐射敏感设备420的动态范围。

尽管已经根据如上所述的特定实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。鉴于本公开，本领域技术人员将能够进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。在本说明书中公开或示出的每个特征可以结合到任何实施例中，无论是单独结合还是以与在此公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。

附图标记列表

100 基于SPAD的传感器架构

105-0…… N SPAD

110-0…… N单位计数器

115 处理电路

120 第一子集

125 第二子集

400 装置

405 SPAD

410 单位计数器

415 处理电路

420 辐射敏感设备