[发明专利]一种提高SPAD阵列相机探测效率的方法

说明书

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。

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：