阅读说明：本技术 一种提高spad阵列相机探测效率的方法 (Method for improving detection efficiency of SPAD array camera ) 是由 唐建伟 陈学文 龚道和 王星泽 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用微透镜阵列提高单光子雪崩二极管(SPAD)阵列相机探测效率的方法。该方法首先通过一个微透镜阵列将信号光聚焦成光斑阵列,然后通过一个缩放系统将所述光斑阵列的周期缩放到和SPAD阵列相机的感光阵列的周期相等,当缩放后的光斑阵列和所述SPAD阵列相机的感光阵列对准时,所述SPAD阵列相机的探测效率得到最大幅度的提高。本发明解决了SPAD阵列相机感光区填充因子过低的问题导致相机探测效率较低的问题,通过简单添加外部光路就可以直接对SPAD阵列相机进行探测效率的提升。(The invention relates to a method for improving the detection efficiency of a Single Photon Avalanche Diode (SPAD) array camera by utilizing a micro lens array. The method comprises the steps of firstly focusing signal light into a light spot array through a micro lens array, then zooming the period of the light spot array to be equal to the period of a photosensitive array of an SPAD array camera through a zooming system, and when the zoomed light spot array is aligned with the photosensitive array of the SPAD array camera, the detection efficiency of the SPAD array camera is improved to the greatest extent. The invention solves the problem of low detection efficiency of the camera caused by the low filling factor of the photosensitive area of the SPAD array camera, and can directly improve the detection efficiency of the SPAD array camera by simply adding an external light path.)

一种提高SPAD阵列相机探测效率的方法

技术领域

本发明涉及光子计数成像领域，更具体地，涉及一种提高SPAD阵列相机探测效率的方法。

背景技术

基于盖革模式的SPAD阵列相机的每个像素相当于一个SPAD探测器，可进行时间分辨光子计数成像，不仅能提供光强的信息，还能提供光子到达时间的信息，相较于普通相机具有显著的优势，在三维实时成像领域具有广泛的应用前景。目前英国的Photon Force公司和意大利的MPD公司均已推出32*32像素的商业SPAD阵列相机。但由于SPAD阵列相机需要集成TDC(时间数字转换)电路，每个像素的有效感光区面积仅占像素面积的很小一部分(例如目前Photon Force和MPD公司推出的SPAD阵列相机的感光区填充因子分别仅为1.5％和3.14％)，导致相机的有效探测效率很低。因此，目前亟待对SPAD阵列相机的探测效率进行提高。

在国内，有研究团队提出在探测器之前放置匹配的微透镜阵列来提高激光雷达回波信号的探测效率(王吉等，激光雷达接收系统和方法)，但要求探测器阵列和微透镜阵列的周期相同。要使用这种方法来提高SPAD阵列相机的探测效率就需要采用微纳加工工艺将微透镜阵列直接集成到SPAD阵列相机的芯片上。目前还未见可用于提高SPAD阵列相机探测效率的有效方法的实施。

发明内容

本发明为了解决当前SPAD阵列相机的感光区填充因子过低导致相机探测效率较低的问题，提供了一种利用微透镜阵列和光学缩放系统来提高SPAD阵列相机探测效率的方法。对于感光区填充因子低的SPAD阵列相机，本发明可大幅提高探测效率。

实现本发明的技术方案是，通过微透镜阵列将信号光聚焦成光斑阵列，然后通过光学缩放系统将所述光斑阵列的周期缩放到和SPAD阵列相机的像素周期相等，使光斑阵列与所述SPAD阵列相机的感光区一一对准。

可选地，所述微透镜阵列为二维微透镜阵列，其阵列周期可以与所述SPAD相机的SPAD阵列周期不相等。

可选地，所述缩放系统的放大倍率为：

式中，P_APD为所述SPAD阵列的周期，P_ML为所述微透镜阵列的周期。所述缩放系统可以是能实现所述缩放倍数的任意光路系统或装置。

可选地，所述缩放系统为4f系统，由两个透镜构成，其焦距比为所需放大倍率。

可选地，所述相机为32*32像素以上的SPAD阵列相机，相机每一像素都能够快速响应单光子事件，并同时具有时间分辨和光子计数功能。

可选地，所述微透镜阵列装载在可平移和旋转的镜架上，使所述微透镜阵列可在垂直光轴的平面内平移和转动，从而实现缩放后的所述光斑阵列与所述SPAD阵列相机的感光阵列的对准。

可选地，将显微系统或望远系统的像面置于微透镜阵列的前焦面处，可实现高效率的时间分辨单光子显微成像或望远成像。

本发明的有益之处在于，解决了SPAD阵列相机感光区填充因子低的问题，大幅提高其探测效率。

本发明利用微透镜阵列的聚集光信号，并采用光学缩放的方法实现微透镜阵列与相机感光阵列的匹配，可解决SPAD阵列相机感光区填充因子低的问题，大幅提高其探测效率，并具有以下优点：

其一，虽然SPAD阵列相机的像素周期较小，但由于本发明采用了光学缩放的方法进行匹配，所使用的微透镜阵列的尺寸可以相对较大，也无需通过复杂的集成工艺直接将微透镜匹配对准到相机的感光阵列。相比于开发和制造尺寸微小且集成于芯片上的微透镜阵列，开发和制造分立的普通尺寸的微透镜阵列元器件不仅难度大大降低，还有利于开发和制造高性能的微透镜阵列，如更高的占空比、更大的透过率、更大的数值孔径、更小的像差等。

其二，利用本发明的方法，通过简单添加外部光路就可以直接对目前的商业SPAD阵列相机进行探测效率的提升。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是本发明提高SPAD阵列相机探测效率的系统示意图。图中：1，微透镜阵列；2，光学缩放系统；3，SPAD阵列相机；4，SPAD阵列相机芯片；5，微透镜阵列的前焦面；6，微透镜阵列后焦面处形成的光斑阵列；7，待探测的信号光。

图2是在其中一个实施例中缩放系统选用4f系统的探测光路示意图。图中：8，透镜L1；9，透镜L2。

图3是本发明中SPAD阵列相机的感光芯片示意图。图中：10，SPAD阵列相机芯片的32*32像素；11，像素的感光区。

图4是利用本发明提高SPAD探测效率的效果演示图。图4中的图(a)是探测效率提升后的成像效果图；图(b)是探测效率提升前的成像效果图。

具体实施方式

应当理解，下述具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。另外需要说明的是，具体实施例中所提供的附图仅作为示意，而非完全遵照实际实施情况进行绘制，示意图中各组件的形状、特征、尺寸比例、空间布局等均可能与实际实施时的情况存在差异。

本发明为了解决当前SPAD阵列相机的感光区填充因子过低导致相机探测效率较低的问题，提供了一种利用微透镜阵列和光学缩放系统来提高SPAD阵列相机探测效率的方法。本发明的示意图如图1所示，依次由微透镜阵列1、缩放系统2和SPAD阵列相机3等部分组成。信号光7通过微透镜阵列1聚焦成光斑阵列6，然后通过缩放系统2将所述光斑阵列6的周期缩放到和SPAD阵列相机芯片4的像素周期相等，当缩放后的光斑阵列和SPAD阵列相机芯片4的感光阵列对准时，SPAD阵列相机3的探测效率得到最大幅度的提高。

图2为本发明的一个具体实施例的系统光路示意图，信号光7依次经过微透镜阵列1、透镜8、透镜9，最后到达SPAD阵列相机芯片4被探测。光路中，透镜8和透镜9构成一个4f缩放系统。

在该实施例中，所用微透镜阵列1为N*N的二维微透镜阵列，阵列周期为P_ML，微透镜的焦距为f_ML。透镜8焦距为f_L1，透镜9的焦距为f_L2。如图3所示，SPAD阵列相机芯片4为32*32像素的二维SPAD阵列10，阵列10的周期为P_APD，每个像素由盖革模式SPAD感光区11及相应TDC电路组成。微透镜阵列1和透镜8间距等于f_ML+f_L1，透镜8和透镜9之间的距离等于f_L1+f_L2，透镜9和SPAD阵列相机芯片4之间的距离等于f_L2，透镜8和透镜9的焦距满足f_L2/f_L1＝P_APD/P_ML。

信号光7经过微透镜阵列1后在微透镜阵列焦平面上会聚形成光斑阵列6，光斑阵列6的周期等于微透镜阵列的周期P_ML。由于微透镜阵列1和透镜8间距等于f_ML+f_L1,光斑阵列6正好处于透镜8的焦面上。因此光斑阵列6通过透镜8和透镜9构成的4f缩放系统后正好成像于SPAD阵列相机芯片4上。由于透镜8和透镜9的焦距满足f_L2/f_L1＝P_APD/P_ML，也即该4f缩放系统的放大倍率为P_APD/P_ML，所以成像到SPAD阵列相机芯片4表面的光斑阵列的周期等于SPAD阵列的周期P_APD。为了将所述缩放后的光斑阵列与SPAD阵列的感光区对准，需要对光斑阵列进行平移和转动。实施例中，微透镜阵列1装载在可平移和旋转的镜架上，使微透镜阵列1可在垂直光轴的平面内平移和转动，从而实现缩放后的所述光斑阵列与SPAD阵列相机的感光阵列的对准。进行具体的对准操作时，只需通过调节平移和转动维度，使SPAD阵列相机上的光子计数值达到最大即可实现最佳对准。

需要指出的是，根据不同的应用场景，信号光在微透镜阵列1的前焦面5(虚线所示)处具有不同的含义。其可以是某个发光实体，可以是某个光束的截面，也可以是某个光学成像系统的像面，例如显微成像系统的像面或望远成像系统的像面。从该处发出的信号光的发散角越小，则经过微透镜阵列后得到的光斑阵列的光斑尺寸越小。对于感光区填充因子特别小的SPAD阵列相机，信号光的发散角越小则利用本发明可获得越大的探测效率提升倍数。

在本实施例中，为演示本发明的效果，将印有“MARK”不透明字样的透明玻璃板置于微透镜阵列1的前焦面5处，用低发散角的卤素灯光从玻璃板左侧垂直照明，SPAD阵列相机3上可得到图4左图所示的光子计数成像图。作为对比，图4右图给出了探测效率提升前相同光照条件下的光子计数成像图。对比图4左图和右图可以看到，利用本发明可以显著提升探测效率，从而显著提升相同光照条件下光子计数成像的信噪比。该实施例中，SPAD阵列相机的探测效率提升倍数超过20倍。

最后应当说明的是，以上具体实施例仅用以对本发明进行解释说明，具有较为具体化的描述，但不能因此理解为对本发明的范围限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。