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特表2022-535113低電力時間デジタルコンバータアーキテクチャを備えた光検出器システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-08-04
(54)【発明の名称】低電力時間デジタルコンバータアーキテクチャを備えた光検出器システム
(51)【国際特許分類】
G06F 3/01 20060101AFI20220728BHJP
【ＦＩ】
G06F3/01 515
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021572008
(86)(22)【出願日】2020-05-21
(85)【翻訳文提出日】2022-01-17
(86)【国際出願番号】 US2020034062
(87)【国際公開番号】W WO2020247185
(87)【国際公開日】2020-12-10
(31)【優先権主張番号】62/858,029
(32)【優先日】2019-06-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/906,620
(32)【優先日】2019-09-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520449150
【氏名又は名称】エイチアイ エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】ＨＩ ＬＬＣ
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100217113
【弁理士】
【氏名又は名称】高坂 晶子
(72)【発明者】
【氏名】セバスチャン ソルゲンフレイ
(72)【発明者】
【氏名】ジェイコブ ダール
(72)【発明者】
【氏名】ライアン フィールド
(72)【発明者】
【氏名】ブルーノ ド ヴァーレ
(72)【発明者】
【氏名】ロン ジン
【テーマコード（参考）】
5E555
【Ｆターム（参考）】
5E555AA13
5E555BA38
5E555BB38
5E555BC04
5E555CA41
5E555CB70
5E555FA00
(57)【要約】
例示的な光検出器システムは、光検出器と、光検出器に接続された時間デジタルコンバータ（ＴＤＣ）とを備える。ＴＤＣは、標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、光パルスが標的から反射された後に当該光パルスの光子を光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号を受信するように構成されている。ＴＤＣは、信号の受信に応じて、ＴＤＣのゲーテッドリングオシレータ（ＧＲＯ）をイネーブルし、ＧＲＯを使用して、イベントの発生時と所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔を測定し、時間間隔および所定のイベント検出時間窓に基づいて、光検出器への光子の到達時刻を判定するように更に構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光検出器と、前記光検出器に接続された時間デジタルコンバータ（ＴＤＣ）であって、
標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、前記光パルスが前記標的から反射された後に当該光パルスの光子を前記光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号であって、前記ＴＤＣのゲーテッドリングオシレータ（ＧＲＯ）をイネーブルするように構成された信号を受信し、
前記ＧＲＯを使用して、前記イベントの発生時と前記所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔を測定するように構成されたＴＤＣと、
前記ＴＤＣに接続された制御回路であって、前記時間間隔および前記所定のイベント検出時間窓に基づいて、前記光検出器への前記光子の到達時刻を判定するように構成された制御回路と
を備えるシステム。
【請求項2】
前記信号は、前記信号が前記ＴＤＣにより受信されている間、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをイネーブルし、
前記信号が停止すると、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記ＴＤＣは、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記所定のイベント検出時間窓の後で、受信するように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記第２の信号は、前記所定のイベント検出時間窓が完了すると受信される、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記ＧＲＯは、前記ＧＲＯがディセーブルされたときに前記ＧＲＯの状態を記憶するように構成された１組または複数組の交差接続されたインバータを備え、前記時間間隔は、記憶された前記ＧＲＯの状態をデコードすることにより測定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記ＴＤＣは、外部基準クロックを供給する位相ロックループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）から電圧を受け取り、前記ＧＲＯをイネーブルすることおよび前記時間間隔を測定することの少なくとも一方は、受け取られた電圧に更に基づいて行われる、請求項５に記載のシステム。
【請求項7】
前記ＴＤＣは、前記時間間隔の後で、追加的な時間間隔を測定するように更に構成されており、前記制御回路は、測定された追加的な時間間隔に基づいて前記ＴＤＣを較正するように更に構成されており、
前記光子の前記到達時刻は、前記ＴＤＣを較正することに更に基づいて判定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
前記追加的な時間間隔の長さは、前記所定のイベント検出時間窓の長さと同一または実質的に同様である、請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
前記ＴＤＣを較正するための演算を実行するように構成された較正回路を更に備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項10】
前記ＴＤＣを較正するための演算を可能にするように構成されたルックアップテーブルを更に備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項11】
前記ＴＤＣは、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記追加的な時間間隔の後で、受信するように更に構成されている、請求項７に記載のシステム。
【請求項12】
前記ＴＤＣは、前記所定のイベント検出時間窓の開始時刻を指定するイベント窓信号を受信するように更に構成されており、前記光子の前記到達時刻は、前記所定のイベント検出時間窓の前記開始時刻に更に基づいて判定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項13】
前記光検出器は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、
前記ＳＰＡＤを作動および解除するように構成された高速ゲート回路と
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項14】
光検出器に接続された時間デジタルコンバータ（ＴＤＣ）により、標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、前記光パルスが前記標的から反射された後に当該光パルスの光子を前記光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号であって、前記ＴＤＣのゲーテッドリングオシレータ（ＧＲＯ）をイネーブルするように構成された信号を受信することと、前記ＴＤＣにより、および前記ＧＲＯを使用して、前記イベントの発生時と前記所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔を測定することと、
前記ＴＤＣに接続された制御回路により、前記時間間隔および前記所定のイベント検出時間窓に基づいて、前記光検出器への前記光子の到達時刻を判定することと
を含む方法。
【請求項15】
前記信号は、前記信号が前記ＴＤＣにより受信されている間、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをイネーブルし、
前記信号が停止すると、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように更に構成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記ＴＤＣにより、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記所定のイベント検出時間窓の後で、受信することを更に備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項17】
前記第２の信号は、前記所定のイベント検出時間窓が完了すると受信される、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記ＧＲＯは、前記ＧＲＯがディセーブルされたときに前記ＧＲＯの状態を記憶するように構成された１組または複数組の交差接続されたインバータを備え、前記時間間隔を測定することは、記憶された前記ＧＲＯの状態をデコードすることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項19】
前記ＴＤＣにより、外部基準クロックを供給する位相ロックループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）から電圧を受け取ることを更に含み、前記ＧＲＯをイネーブルすることおよび前記時間間隔を測定することの少なくとも一方は、受け取られた電圧に更に基づいて行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記ＴＤＣにより、前記時間間隔の後で、追加的な時間間隔を測定することと、前記制御回路により、測定された追加的な時間間隔に基づいて前記ＴＤＣを較正することと
を更に含み、
前記光子の前記到達時刻を判定することは、前記ＴＤＣを較正することに更に基づいて行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項21】
前記追加的な時間間隔の長さは、前記所定のイベント検出時間窓の長さと同一または実質的に同様である、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記ＴＤＣを較正することは、演算を可能にするように構成された較正回路を使用することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項23】
前記ＴＤＣを較正することは、演算を可能にするように構成されたルックアップテーブルを使用することを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項24】
前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記ＴＤＣにより、かつ前記追加的な時間間隔の後で、受信することを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項25】
前記ＴＤＣにより、前記所定のイベント検出時間窓の開始時刻を指定するイベント窓信号を受信することを更に含み、前記光子の前記到達時刻を判定することは、前記所定のイベント検出時間窓の前記開始時刻に更に基づいて行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項26】
ユーザの頭部に装着されるように構成されたヘッドマウンタブルコンポーネントであって、光検出器を含むヘッドマウンタブルコンポーネントと、前記光検出器に接続された時間デジタルコンバータ（ＴＤＣ）であって、
標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、前記光パルスが前記標的から反射された後に当該光パルスの光子を前記光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号であって、前記ＴＤＣのＧＲＯをイネーブルするように構成された信号を受信し、
前記ＧＲＯを使用して、前記イベントの発生時と前記所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔を測定するように構成された、ＴＤＣと、
前記ＴＤＣに接続された制御回路であって、前記時間間隔および前記所定のイベント検出時間窓に基づいて、前記光検出器への前記光子の到達時刻を判定するように構成された制御回路と
を備える、前記ユーザが使用するためのウェアラブルシステム。
【請求項27】
前記信号は、前記信号が前記ＴＤＣにより受信されている間、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをイネーブルし、
前記信号が停止すると、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように更に構成されている、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項28】
前記ＴＤＣは、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記所定のイベント検出時間窓の後で、受信するように更に構成されている、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項29】
前記第２の信号は、前記所定のイベント検出時間窓が完了すると受信される、請求項２８に記載のウェアラブルシステム。
【請求項30】
前記ＧＲＯは、前記ＧＲＯがディセーブルされたときに前記ＧＲＯの状態を記憶するように構成された１組または複数組の交差接続されたインバータを備え、前記時間間隔は、記憶された前記ＧＲＯの状態をデコードすることにより測定される、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項31】
前記ＴＤＣは、外部基準クロックを供給する位相ロックループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）から電圧を受け取り、前記ＧＲＯをイネーブルすることおよび前記時間間隔を測定することの少なくとも一方は、前記受け取られた電圧に更に基づいて行われる、請求項３０に記載のウェアラブルシステム。
【請求項32】
前記ＴＤＣは、前記時間間隔の後で、追加的な時間間隔を測定するように更に構成されており、前記制御回路は、測定された追加的な時間間隔に基づいて前記ＴＤＣを較正するように更に構成されており、
前記光子の前記到達時刻は、前記ＴＤＣを較正することに更に基づいて判定される、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項33】
前記追加的な時間間隔の長さは、前記所定のイベント検出時間窓の長さと同一または実質的に同様である、請求項３２に記載のウェアラブルシステム。
【請求項34】
前記ＴＤＣを較正するための演算を可能にするように構成された較正回路を更に備える、請求項３２に記載のウェアラブルシステム。
【請求項35】
前記ＴＤＣを較正するための演算を可能にするように構成されたルックアップテーブルを更に備える、請求項３２に記載のウェアラブルシステム。
【請求項36】
前記ＴＤＣは、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記追加的な時間間隔の後で、受信するように更に構成されている、請求項３２に記載のウェアラブルシステム。
【請求項37】
前記ＴＤＣは、前記所定のイベント検出時間窓の開始時刻を指定するイベント窓信号を受信するように更に構成されており、前記光子の前記到達時刻は、前記所定のイベント検出時間窓の前記開始時刻に更に基づいて判定される、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項38】
前記光検出器は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、
前記ＳＰＡＤを作動および解除するように構成された高速ゲート回路と
を備える、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項39】
前記ヘッドマウンタブルコンポーネントは、非侵襲的ウェアラブル・ブレイン・インタフェース・システムにより実装される、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項40】
前記ヘッドマウンタブルコンポーネントに電力を供給するように構成されたウェアラブルバッテリを更に備える、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項41】
前記制御回路と通信するように構成されたプロセッサを更に備える、請求項２６に記載のウェアラブルシステム。
【請求項42】
前記プロセッサと前記制御回路とを収容するように構成された単一の筐体を更に備える、請求項４１に記載のウェアラブルシステム。
【請求項43】
前記制御回路を収容するように構成された第１の筐体と、前記プロセッサを収容するように構成された第２の筐体と
を更に備える、請求項４１に記載のウェアラブルシステム。
【請求項44】
前記第１の筐体は、前記ヘッドマウンタブルコンポーネントを備え、前記第２の筐体は、前記ユーザの、前記頭部以外の部位に取り付けられるように構成されている、請求項４３に記載のウェアラブルシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【0001】
本出願は、２０１９年９月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／９０６，６２０号および２０１９年６月６日に出願された米国仮特許出願第６２／８５８，０２９号の優先権を主張するものである。これらの出願は、参照により、その全体を本明細書に援用する。
【背景技術】
【0002】
脳内の神経活動を検知することは、医療診断、撮像、神経工学、ブレイン・コンピュータ・インターフェース連携、および他の様々な診断およびコンシューマ関連用途に有用である。例えば、血液灌流の減少、出血、または任意の他の種類の損傷により脳の特定の領域が影響を受けたかどうかを判定する際に、患者の脳内の神経活動を検出することが望まれる場合がある。別の例として、ユーザの脳内の神経活動を検出し、検出された神経活動をコンピュータ的にデコードして、（例えば、コンピュータ画面上のカーソルを制御し、テレビのチャンネルを変更し、またはライトを点灯する等による）様々な種類の家電製品の制御に使用可能なコマンドとすることが望まれる場合がある。
【0003】
単一光子（すなわち、光エネルギーの単一粒子）を検出可能な光検出器は、脳内の神経活動を検出するために使用可能な非侵襲的な検出器の１つの例である。例えば、これらの高感度光検出器の多くは、１つまたは複数の光パルスの印加に応じて、脳内の組織で反射される光子を記録できる。脳の神経活動その他の特性は、光検出器が光子の検出に要する時間に基づいて判定または推測することができる。
【0004】
時間デジタルコンバータ（time-to-digital converter(ＴＤＣ)）を光検出器と併用して、タイミングイベントまたはタイミング間隔（例えば、光のパルスが標的に印加された後に当該光パルスの光子を光検出器により検出するのに要する時間）をデジタル表現に変換する。従来、位相ロックループまたは遅延ロックループを使用して、位相および遅延情報を提供し、デジタル化された値を特定のタイミング分解能で捕捉してきた。しかしながら、ＴＤＣおよび／またはＴＤＣのコンポーネントの同期の際には、比較的多くの電力が消費されうる。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器の例を示す図である。
【図2】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器システムの例を示す図である。
【図3】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器についての例示的なタイミング図である。
【図4】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャのコンポーネント向けの例示的な回路を示す図である。
【図5】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャのコンポーネント向けの例示的な回路を示す図である。
【図6】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャのコンポーネント向けの例示的な回路を示す図である。
【図7】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャのコンポーネント向けの例示的な回路を示す図である。
【図8】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャのコンポーネント向けの例示的な回路を示す図である。
【図10A】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えたな光検出器システムの例を示す図である。
【図10B】本明細書に記載の原理による低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器システムを備えた例示的なウェアラブルデバイスを示す図である。
【図11】本明細書に記載の原理による例示的な方法を示す図である。
【図12】本明細書に記載の原理による例示的なコンピュータデバイスを示す図である。
【0006】
添付の図面は、様々な実施形態を示しており、本明細書の一部である。図示された実施形態は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものではない。図面全体を通して、同一または類似の参照番号は、同一または類似の要素を指定している。
【詳細な説明】
【0007】
本明細書には、低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器システムが記載される。本明細書に記載のシステムは、光検出器と、光検出器に接続されたＴＤＣと、ＴＤＣに接続された制御回路とを備える。ＴＤＣは、標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、光パルスが標的から反射された後に当該光パルスの光子を光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号であって、ＴＤＣのゲーテッドリングオシレータ（gated ring oscillator（ＧＲＯ））をイネーブルするように構成された信号を受信するように構成されている。ＴＤＣは、ＧＲＯを使用して、イベントの発生時と所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔を測定するように更に構成されている。制御回路は、時間間隔および所定のイベント検出時間窓に基づいて、光検出器への光子の到達時刻を判定するように構成されている。
【0008】
本明細書に記載のＴＤＣアーキテクチャは、光子が検出されるイベントに応じてＧＲＯおよび／またはＴＤＣの他のコンポーネントをイネーブルする。よって、ＴＤＣアーキテクチャは、そのようなイベントが発生するまで節電できる。複数の光検出器を備えた光検出器システムでは、光検出器の多くが比較的低頻度で光子を検出するため、そのようなイベント駆動型のＴＤＣアーキテクチャによれば、従来の光検出器システムと比較して、結果的に電力消費を大幅に削減できる。さらに、ＴＤＣがディセーブルおよびイネーブルされるため、複数のＴＤＣを同期させるために従来使用されてきたコンポーネントが不要となり、その結果、システム面積が減少するだけでなく、電力使用量が更に削減される。本明細書に記載のシステムおよび方法により提供されうる上述した利点および／または優位点及びその他の利点および／または優位点は、以下の詳細な説明により明らかになるであろう。
【0009】
図１に、低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器システム１０２の例を示す。図示されるように、光検出器システム１０２は、光検出器１０４と、制御回路１０６と、ＴＤＣ１０８とを備える。いくつかの例において、光検出器システム１０２は、より多いコンポーネント、より少ないコンポーネント、および／または異なるコンポーネントを備えてよい。例えば、光検出器システム１０２は、複数の光検出器と、光検出器に対応する複数のＴＤＣと、光検出器およびＴＤＣに対する１つまたは複数の制御回路を備えてよい。
【0010】
光検出器１０４は、光検出器１０４に入射する光の各光子を個別に検出するように構成された任意の好適な回路により実装することができる。例えば、光検出器１０４は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、共に動作して、ＳＰＡＤに入射する光子を検出するように構成された高速ゲート回路とを備えたＳＰＡＤ回路により実装することができる。光検出器１０４は、ＳＰＡＤが光子を検出したときに、出力を生成してもよい。
【0011】
ＴＤＣ１０８は、ある光パルスが発生したこと、およびこの光パルスが標的から反射された後に当該光パルスからの光子がＳＰＡＤ回路１０４により検出されたことを示す光検出器１０４により生成された出力信号の発生との間の時差を測定するように構成されている。本明細書に、ＴＤＣ１０８の実装例を記載する。
【0012】
制御回路１０６は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または光検出器１０４（例えば、ＳＰＡＤ回路）およびＴＤＣ１０８内の様々なコンポーネントの動作を制御するように構成された任意の他の好適な回路により実装することができる。
【0013】
例えば、制御回路１０６は、ＳＰＡＤ回路内の１つまたは複数のスイッチの動作を制御する制御論理を出力して、（例えば、ＳＰＡＤ回路内のコンデンサを選択的に充電することにより）光検出器１０４が備えるＳＰＡＤを選択的に作動状態（armed state）または解除状態（disarmed state）のいずれに設定してもよい。いくつかの例において、制御回路１０６は、光パルス（例えば、レーザパルス）の発生後に制御回路１０６が待機する所定の時間を指定してＳＰＡＤを作動状態にするゲート遅延を制御してもよい。この目的のため、制御回路１０６は、光パルスが発生する時刻（例えば、光パルスが脳内の組織などの標的に印加される時刻など）を示す光パルスタイミング情報を受信してもよい。制御回路１０６は、また、プログラム可能なゲート幅を制御してもよい。ゲート幅により、ＳＰＡＤが解除される前に維持されるべき作動状態の期間が指定される。例えば、制御回路１０６は、特定のイベント検出時間窓中、ＳＰＡＤを作動状態に維持してもよい。
【0014】
制御回路１０６は、また、ＴＤＣ１０８の動作を制御するように構成されてもよい。例えば、本明細書に記載されるように、制御回路１０６は、ＴＤＣ１０８内のＧＲＯおよび／または他のコンポーネントをイネーブルおよび／またはディセーブルするために使用される１つまたは複数の信号を生成してもよい。
【0015】
制御回路１０６は、ＴＤＣ１０８により出力されたデータに対して１つまたは複数の信号処理動作を実行するように更に構成されてもよい。例えば、信号処理回路１１０は、ＴＤＣ１０８により出力されたデータに基づいて、および制御回路１０６によりアクセスされたヒストグラムパラメータ（例えば、タイムビン、光パルスの数、ヒストグラムの種類等）に従って、ヒストグラムデータを生成してもよい。例を挙げると、制御回路１０６は、ＴＤＣ１０８により出力されたデータに基づいて、ヒストグラムの生成、保存、送信、圧縮、分析、デコード、および／またはその他の処理を行ってもよい。いくつかの例において、信号処理動作は、別の追加コンポーネントにより実行されてもよい。
【0016】
図２に、低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器システム２００の例を示す。光検出器システム２００は、光検出器ピクセル２０２（例えば、光検出器ピクセル１ ２０２－１から光検出器ピクセルＮ ２０２－Ｎ）を備える。光検出器ピクセル２０２－１などの光検出器ピクセル２０２は、それぞれ、ＳＰＡＤ回路２０４と、ＴＤＣ２０６とを備える。ＴＤＣ２０６は、ＧＲＯ２０８と、カウンタ２１０と、バイアス発生器２１２とを備える。バイアス発生器２１２は、位相ロックループ（ＰＬＬ）２１４から信号を受信することができる。光検出器システム２００は、（例えば、制御回路１０６の実装例である）制御回路２１６およびメモリ２１８を更に備える。制御回路２１６は１つまたは複数の光検出器ピクセル２０２に対応している。
【0017】
（例えば、光検出器１０４の実装例である）ＳＰＡＤ回路２０４は、ＳＰＡＤと、ＳＰＡＤを作動（arm）および解除（disarm）するように構成された高速ゲート回路とを備えてもよい。高速ゲート回路は、また、ＳＰＡＤが光子を検出するイベントによりトリガされた信号を出力するように構成されてもよい。信号は、ＴＤＣ２０６により受信されたときに、ＴＤＣ２０６のＧＲＯをイネーブルするように構成されている。例えば、ＧＲＯ２０８は、ＳＰＡＤ回路２０４からの信号の受信に基づいて、イネーブルされてもよい。ＴＤＣ２０６は、ＧＲＯ２０８を（カウンタ２１０および／またはバイアス発生器２１２などの他のコンポーネントと共に）使用して、ＳＰＡＤへの光子の到達時刻を判定してもよい。例えば、ＴＤＣ２０６は、図３に示す例示的なタイミング図３００に基づいて光子の到達時刻を判定してもよい。
【0018】
タイミング図３００は、第１の所定のイベント検出時間窓３０４－１（長さ「ｃ」）および第２の所定のイベント検出時間窓３０４－２などの所定のイベント検出時間窓３０４を示すイベント窓パルス波３０２を表す。所定のイベント検出時間窓３０４は、標的に印加されている光パルスに応じて制御回路２１６により生成することができる。所定のイベント検出時間窓３０４は、ＳＰＡＤが作動およびイネーブルされて光パルスの光子を検出する時間の長さのそれぞれに対応してもよい。所定のイベント検出時間窓３０４は、個々の光パルスに続いて開始されてもよい。上述のように、いくつかの例において、所定のイベント検出時間窓３０４は、個々の光パルスの後の特定の遅延後に開始されてもよい。他の例において、所定のイベント検出時間窓３０４は、個々の光パルスの実質的に直後に開始されてもよい。
【0019】
イベントパルス波３０６は、ＳＰＡＤ回路２０４が光子を検出するイベント３０８を示す。図示されるように、イベント３０８は、第１の所定のイベント検出時間窓３０４－１中に発生する。イベント３０８は、ＳＰＡＤ回路２０４により出力されてＴＤＣ２０６により受信される信号をトリガにしてもよい。信号の受信に基づいてＧＲＯ２０８がイネーブルされ、イベント３０８の発生時と第１の所定のイベント検出時間窓３０４－１の終了時との間の時間間隔を測定してもよい。時間間隔は、イベント測定パルス波３１０のイベント測定３１２（長さ「ａ」）により示される。タイミング図３００は、ＧＲＯ２０８により判定された測定に対応するカウンタ２１０の値を示すカウンタパルス波３１８を更に含む。例えば、第１のカウント３２０は、イベント測定３１２に対応し、時間間隔「ａ」に比例するデジタル値Ｃａを提供する。よって、ＴＤＣ２０６は、Ｃａおよび第１の所定のイベント検出時間窓３０４－１の既知の長さ「ｃ」に基づいて、イベント３０８での光子の到達時刻を判定することができ、判定された到達時刻は（ｃ－ａ）に対応する。
【0020】
加えて、タイミング図３００は、長さ「ｂ」の較正測定３１６を示す較正測定パルス波３１４を含む。較正測定値３１６をＧＲＯ２０８を使用して測定して、イベント３０８での光子の到達時刻を判定するための較正要素を得てもよい。例えば、ＴＤＣ２０６は、ＧＲＯ２０８を使用して、制御回路２１６により生成され得る較正窓を測定してもよい。カウンタパルス波３１８は、較正測定３１６に対応するカウンタ２１０の第２のカウント３２２を示す。第２のカウント３２２は、時間間隔「ｂ」に比例するデジタル値Ｃｂを提供する。ＴＤＣ２０６は、Ｃｂを使用して、ＧＲＯ２０８を較正し、更にＣｂに基づいてイベント３０８での光子の到達時刻を判定してもよい。例えば、ＴＤＣ２０６は、以下のような数式１に基づいて到達時刻を判定してもよい。
【0021】
【数1】
式中、Ｔｃ－ａは、イベント３０８での光子の到達時刻であり、Ｔｃは、第１の所定のイベント検出時間窓（例えば、イベント検出時間窓３０４－１）の時間である。所定のイベント検出時間窓および較正窓を制御回路２１６により生成することができるが、そのような窓の長さは、既知の量でもよく、ｂ＝ｃとなるように同一の長さに設定されてもよい。
【0022】
そのような信号のタイミングの例をタイミング図３００に示すように使用して、ＴＤＣ２０６をイベント系ＴＤＣとして実装することができ、および／またはＴＤＣ２０６はイベント系コンポーネントを備えてもよい。例えば、光検出器システム２００（例えば、制御回路２１６、ＴＤＣ２０６）は、イベント３０８が発生するまでＧＲＯ２０８をディセーブルに維持してもよく（および／またはＴＤＣ２０６がＧＲＯ２０８でディセーブルされてもよく）、これにより、特にイベントの発生頻度が比較的少ないアプリケーションについての節電が可能である。光検出器システム２００は、イベント３０８によりトリガされたＳＰＡＤ回路２０４から信号を受信したときにＧＲＯ２０８をイネーブルし、イベント３０８での光子の到達時刻をＧＲＯ２０８を使用して判定してもよい。その判定に続いて、光検出器システム２００は、光子の検出および／または較正測定によりトリガされた別のイベントまで、ＧＲＯ２０８をディセーブルしてもよい。追加でまたは代案として、光検出器システム２００は、ＧＲＯ２０８をイネーブルに維持して、ＧＲＯ２０８の較正を行ってもよい。そのような較正測定は、各イベント測定の後、一定回数のイベント測定の後、前回の較正から一定の時間が経過した後等の、任意の好適な頻度で実施されてもよい。
【0023】
いくつかの例において、コースカウントを提供するバイアス発生器２１２にＰＬＬ２１４が信号を提供する間、ＧＲＯ２０８を使用してイベント３０８のタイミングに対する微小（fine）カウントを判定してもよい。ＰＬＬ２１４は外部基準クロックにロックされて、バイアス発生器２１２にアナログ電圧を提供してもよい。他の例において、光検出器システム２００は、ＰＬＬ２１４および／またはバイアス発生器２１２を使用せずに実装されてもよい。そのような例において、ＧＲＯ２０８は自走していてもよく、デジタルイネーブル信号により開始および終了を定めてもよい。本明細書に、ＧＲＯ２０８の例を記載する。
【0024】
図４に、バイアス発生器（例えば、バイアス発生器２１２）の実装例として回路４００を示す。回路４００は、ＰＬＬ２１４から受信した基準値などの、基準電流源４０２を備える。回路４００は、イネーブル信号４０４によりゲートされる電流ミラーを示す。イネーブル信号４０４は、ＳＰＡＤ回路２０４が光子を検出するイベントであるイベント３０８に応じて提供されるアナログ信号であってもよい。イネーブル信号４０４が受信される間、回路４００は、ＧＲＯ２０８に提供される第１の出力ＰＢＩＡＳ４０６および第２の出力ＮＢＩＡＳ４０８を経由してアナログバイアスを生成してもよい。反対に、イネーブル信号４０４が停止している間、回路４００は、ＧＲＯ２０８へのアナログバイアスの提供を停止してもよい。
【0025】
図５に、バイアス発生器（例えば、バイアス発生器２１２）と共に動作するように構成されたＧＲＯ（例えば、ＧＲＯ２０８）のインバータの実装例として回路５００を示す。回路５００は、入力５０２において信号を受信し、出力５０４において反転信号を生成するように構成されたインバータを示す。ＧＲＯ２０８は、１つのインバータの出力５０４が次のインバータの入力５０２に接続されてインバータの環を形成するように接続された複数のインバータを備えてもよい。回路５００は、第１の入力ＰＢＩＡＳ５０６および第２の入力ＮＢＩＡＳ５０８を経由してバイアス発生器２１２からアナログバイアスを受信するように構成されたカレントスターブドインバータを示す。回路５００は、また、プルダウントランジスタ５１０を備え、インバータ用のトライステート出力（例えば、高インピーダンス状態）を実装する。さらに、プルダウントランジスタ５１０は、また、回路５００の状態を初期化して、ＧＲＯ２０８が毎回同一の初期化状態で開始可能となるように構成されてもよい。
【0026】
アナログバイアスが受信されている間、ＧＲＯ２０８が発振して、カウンタ（例えば、カウンタ２１０）に信号を提供させ、カウンタを、光子の到達時刻などの時刻のデジタル表現を判定するために使用してよい。アナログバイアスが停止すると、ＧＲＯ２０８がディセーブルされて、ＧＲＯ２０８のインバータが高インピーダンス状態になる。ＧＲＯ２０８は、図６に示すように、ＧＲＯ２０８の値を記憶するように構成されたコンポーネントを更に備えてもよい。
【0027】
図６に、ＧＲＯ（例えば、ＧＲＯ２０８）の実装例として回路６００を示す。回路６００は、複数のステージ６０２（例えば、ステージ６０２－１からステージ６０２－Ｎ）を示す。図示のステージ６０２は、それぞれが１つずつ次のステージに接続されているが、ステージ６０２－Ｎは、ステージ６０２－１にも接続されてステージ６０２の環を形成してもよい。
【0028】
ステージ６０２－１などの各ステージ６０２は、それぞれ、１組のカレントスターブドインバータ６０４（例えば、カレントスターブドインバータ６０４－１および６０４－２）を備える。カレントスターブドインバータ６０４は、図５の回路５００により実装されてもよい。上述したように、カレントスターブドインバータ６０４は、ある値を入力として受信し、その反転値（例えば、低から高または高から低）を出力として提供することができる。さらに、カレントスターブドインバータ６０４は、トライステートインバータであってもよく、ＧＲＯ２０８がディセーブルされたときに、高インピーダンス状態を出力するように構成されてもよい。ステージ６０２－１は、ＧＲＯ２０８がディセーブルされたときに、ステージ６０２－１の値を記憶するように構成された１組の交差接続インバータ６０６を更に備える。このように、各ステージ６０２、ひいてはＧＲＯ２０８の状態は、交差接続インバータ６０６により内部でラッチされてもよい。ラッチされた値をデコードすることによりＴＤＣ２０６の微小カウンタ値を判定してもよい。ＧＲＯ２０８が発振を停止するようにＧＲＯ２０８をディセーブルすることにより、コースカウンタ（例えば、ＰＬＬ２１４）は、何らの追加回路なしにゲートすることができる。
【0029】
図７に、ＧＲＯ（例えば、ＧＲＯ２０８）の別のインバータを実装する回路７００の例を示す。回路７００は、回路６００に対するカレントスターブドインバータ６０４の実装例とすることもできる。回路５００と同様に、回路７００は、入力７０２において信号を受信し、出力７０４において反転信号を生成するように構成されたインバータを示す。インバータは、また、環状に接続されてＧＲＯ２０８を実装する複数のインバータの１つであってもよい。ただし、回路７００は、インバータ、ひいてはＧＲＯ２０８のオン／オフを切り替えるデジタルイネーブル信号を受信するように構成された第１の入力７０６と、第２の入力７０８とを備える。回路７００は、また、プルダウントランジスタ７１０を備え、ＧＲＯ２０８がディセーブルされたときのために、トライステート出力（例えば、高インピーダンス状態）を実装する。
【0030】
回路７００は、外部ＰＬＬおよび／またはバイアス発生器がなくても、自走状態で動作するように構成されているＧＲＯ２０８を実装してもよい。そのようなコンポーネントを有さないＧＲＯアーキテクチャは、そのようなコンポーネントを備えたアーキテクチャと比較して、レイアウト面積および消費電力を低減することが可能である。しかしながら、外部ＰＬＬにより提供されるフィードバックメカニズムがないと、ＧＲＯ２０８（および複数のＧＲＯにわたる）のインバータ間での処理、電圧、および温度（ＰＶＴ）の差異が顕著になり、ＧＲＯ２０８により得られる測定値に影響を及ぼす場合がある。しかし、本明細書に記載されるような各較正処理を行うことにより、そのような差異の影響を最小化またはオフセットすることが可能である。
【0031】
図８に、低電力ＴＤＣアーキテクチャ用の回路８００の例を示す。回路８００は、光検出器による光子の検出などのイベントの到来時刻を判定するための実装を示す。回路８００は、ＧＲＯ２０８を備える。ＧＲＯ２０８は、イベント測定値（Ｃａ）に対応する測定出力および較正測定値（Ｃｂ）に対応する較正出力を提供する。較正測定値は、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）コンポーネント８０２により受信される。ＬＵＴコンポーネント８０２は、Ｃｂに対する値を受信し、１／Ｃｂに対応する値を検索（look up）し、乗算コンポーネント８０４への出力として１／Ｃｂを提供する。乗算コンポーネント８０４は、ＬＵＴコンポーネント８０２から１／Ｃｂを受信、ＧＲＯ２０８からＣａを受信し、それら２つの入力値を乗算する。Ｃａ／Ｃｂに対応する積はビット単位反転コンポーネント８０６に提供され、ビット単位反転コンポーネント８０６は１つのマイナスＣａ／Ｃｂを演算して最終結果を得る。最終結果は、上記の数式１により定義されたように、イベントの時刻に対応する。
【0032】
回路８００は数式１を演算する実装の一例を示すが、任意の好適なコンポーネントの組み合わせを使用して、同一の結果を判定してもよい。例えば、本明細書に記載の演算のそれぞれおよび／または全てが、ルックアップテーブルを使用して実行されてもよい。代案として、または加えて、演算はルックアップテーブルを使用せずに実行されてもよく、乗算を実行するように構成されたコンポーネントおよび減算を実行するように構成されたコンポーネントと共に除算を実行するように構成されたコンポーネントを使用して演算が実行されてもよい。さらに、入力の処理を行って、コース・ロッキングに対してＰＬＬを使用してＰＶＴ変動の影響を低減し、較正測定値およびイベント測定値の潜在的範囲を減少させるといった演算の複雑性を低減してもよい。加えて、または代案として、各ＧＲＯ２０８に対して初期トリミングを実行して、ＧＲＯ２０８の動作周波数を設定し、ＧＲＯ間の差異を低減してもよい。加えて、または代案として、ＬＵＴコンポーネント８０２を、読出専用メモリ（ＲＯＭ）を使用して実装して、電力および面積を削減してもよい。
【0033】
図９Ａに、低電力ＴＤＣアーキテクチャを有する光検出器システム９００の例を示す。光検出器システム９００は、ピクセル配列９０２を備え、ピクセル配列９０２は、ピクセル部分配列９０４（例えば、ピクセル部分配列９０４－１および９０４－２）を含む。ピクセル部分配列９０４は、イベント（例えば、部分配列内のピクセルによる光子の検出）およびイベント窓（例えば、所定のイベント検出時間窓）に対応する信号を、複数のＧＲＯ９０６に出力する。例えば、ピクセル部分配列９０４－１は、第１のイベントおよび第１のイベント窓に対応する信号を、複数のＧＲＯ９０６の第１のＧＲＯ（および／または第１のＧＲＯのサブセット）に出力してもよい。ピクセル部分配列９０４－２は、第２のイベントおよび第２のイベント窓に対応する信号を、複数のＧＲＯ９０６の第２のＧＲＯ（および／または第２のＧＲＯのサブセット）に出力してもよい。しかしながら、光検出器システム９００内の部分配列と対応するＧＲＯとの間の距離によっては、レイアウト遅延が生じる場合がある。そのようなレイアウト遅延により、イベントのタイミングの判定が不正確になる場合がある。イベントに対応する信号と共にイベント窓に対応する信号を出力することにより、光検出器システム９００を、レイアウト遅延を補正するように構成することができる。
【0034】
例えば、図９Ｂに、レイアウト遅延の補正を示す光検出器システム９００用のタイミング図９２０を示す。本例において、第１のイベントおよび第２のイベントは、相互に比較的近い時刻に到来しうるため、これら２つの時刻は同一のタイムビンにグループ化されるべきである。しかしながら、レイアウト遅延のため、第２のイベントパルス波９２４および第１のイベントパルス波９２８により図示されるように、第２のイベントは、第１のイベントよりも早く、ＧＲＯ９０６により受信される場合がある。対応するイベント窓に信号を提供することにより、光検出器システム９００は、イベント窓に対するイベントのタイミングを判定して、レイアウト遅延を相殺してもよい。タイミング図９２０に示すように、第２のイベント窓パルス波９２２は、第１のイベント窓パルス波９２６における第１のイベント窓より早く到来する第２のイベント窓を示す。イベント窓の到来時刻の差分をとることにより、またはイベント窓に対するイベントのタイミングを判定することにより、そのようなレイアウト遅延を補正することができる。
【0035】
さらに、本明細書に記載の光検出器システムは、各ＳＰＡＤ回路またはＳＰＡＤ回路のサブセットに対するＴＤＣを備えているので、そのような光検出器システムに対する機能テストプロセスが改良されてもよい。複数のＴＤＣにより、ＳＰＡＤ回路のいくつかまたは全てについてのテストを同時および／または並行して行うことが可能となり、システムの起動中および／または大量生産の歩留まりテスト中の暗計数率を光検出器システムによりテストすることが可能となる。
【0036】
図１０Ａに、本明細書に記載のシステムおよび方法に従って使用可能な光検出器システム１０００の例を示す。光検出器システム１０００は、本明細書に記載の光検出器システムのいずれを実装してもよい。図示されるように、光検出器システム１０００は、プリント配線板（ＰＣＢ）１００６上に配置された光源１００２と複数のＳＰＡＤ回路１００４（すなわち、ＳＰＡＤ回路１００４－１から１００４－１６）とを備える。あるいは、ＳＰＡＤ回路１００４（および光検出器システム１０００の他のコンポーネント）は、ＡＳＩＣに配置されてもよい。光検出器システム１０００は、ＳＰＡＤ１００４に共通する制御回路１００８と、各ＳＰＡＤ１００４に共通する信号処理回路１０１０と、ＳＰＡＤ回路１００４のうちの１つにそれぞれ対応する（本明細書に記載されるような）複数のＴＤＣを含むＴＤＣ配列１０１２とを更に備える。制御回路１００８、信号処理回路１０１０、およびＴＤＣ配列１０１２は、それぞれ、図１０Ａに示すように、ＰＣＢ１００６に配置されてもよいし、光検出器システム１０００内の他の場所に設置されてもよい。各ＳＰＡＤ回路１００４は、ＴＤＣ配列１０１２に設けられたＴＤＣ、制御回路１００８、および信号処理回路１００４と組み合わせて、特定の光検出器を実装してもよい。よって、光検出器システム１０００は、光検出器の配列を備えると言うことができる。
【0037】
光源１００２は、所望の標的（例えば、脳内の標的）に適用可能な１つまたは複数の波長において１つまたは複数の光パルスを生成するように構成されてよい。光源１００２は、コンポーネントの任意の好適な組み合わせにより実装されてもよい。例えば、光源１００２は、レーザパルスを生成するレーザ源により実装されてもよい。光源は、ＰＣＢ１００６に実装されてもよく、またはＰＣＢ１００６の外部に実装されてもよい。
【0038】
ＳＰＡＤ回路１００４は、光源１００２により生成された光パルスの光子を、当該光子が標的（例えば、脳組織のような、ユーザの内部の標的）で反射または散乱した後に検出するように構成されてもよい。ＳＰＡＤ回路１００４を使用して、撮像アプリケーションに対する環境光に起因して任意の物体から反射される光子を検出してもよい。この場合、光子は環境光または別の光源のいずれかにより生成されるため、光源１００２は不要である。
【0039】
図示されるように、ＳＰＡＤ回路１００４は、ＰＣＢ１００６に４×４配列で配置される。各ＳＰＡＤ回路１００４の位置決めは、例えば、ピクセル配列内のピクセルに対応して行われてよい。ＳＰＡＤ回路１００４は、あるいは、任意の好適な方法で配置されてもよい。図１０Ａには１６個のＳＰＡＤ回路１００４が示されているが、光検出器システム１０００には任意の数のＳＰＡＤ回路１００４が設けられてもよいことを理解されたい。
【0040】
制御回路１００８は、制御回路１０６と機能的に類似してもよく、ＳＰＡＤ回路１００８のそれぞれを制御するように構成されてもよい。信号処理回路１０１０は、信号処理回路１１０と機能的に類似してもよく、ＳＰＡＤ回路１００４のそれぞれにより出力される信号を処理するように構成されてもよい。ＴＤＣ配列１０１２は、それぞれがＴＤＣ１０８に類似する複数のＴＤＣを備えて、光パルス１００２の発生と、ＳＰＡＤ回路１００４のそれぞれにより生成された出力パルスのそれぞれとの間の時差を測定するように構成されてもよい。
【0041】
光検出器システム１０００は、任意の好適なデバイスにより実装されてもよく、または任意の好適なデバイスに設けられてもよい。例えば、光検出器システム１０００を、ユーザの身体に装着可能な非侵襲的ウェアラブルデバイスに設けて、１つまたは複数の診断、撮像、および／またはコンシューマ関連動作を実行させてもよい。
【0042】
具体的には、図１０Ｂに、光検出器システム１０００と同様の光検出器システムを実装する非侵襲的ウェアラブルブレインインタフェースシステム１０２０（「ブレインインタフェースシステム１０２０」）の例を示す。図示されるように、ブレインインタフェースシステム１０２０は、ユーザの頭部に装着可能に構成されたヘッドマウンタブルコンポーネント１０２２を備える。ヘッドマウンタブルコンポーネント１０２２は、ユーザの頭部に装着されるキャップ形状により実装することができる。ヘッドマウンタブルコンポーネント１０２２の代替的な実装は、ヘルメット、ビーニー帽、ヘッドバンド、他の帽子形状、またはユーザの頭部等に装着するのに適した他の形状を含む。ヘッドマウンタブルコンポーネント１０２２は、任意の好適な布、軟質ポリマー、プラスチック、ハードシェル、および／または特定の実装に対応可能な任意の他の好適な材料から作成されてもよい。ウェアラブルブレインインタフェースシステムに使用されるヘッドギアの例は、参照によりその全体を本明細書に援用する米国特許第１０，３４０，４０８号において更に詳細に記載されている。
【0043】
ヘッドマウンタブルコンポーネント１０２２は、複数の光検出器１０２４と、光パルスを生成するように構成された複数の光源１０２６とを備える。いくつかの代替的な実施形態においては、ヘッドマウンタブルコンポーネント１０２２は、単一の光検出器１０２４および／または単一の光源１０２６を備えてもよいことを理解されたい。例えば、ブレインインタフェースシステム１０２０を使用して、光路を制御し、および光検出器ピクセル測定値を脳組織領域の光学的特性を表す強度値に変換してもよい。ブレインインタフェースシステム１０２０は、光源１０２６からユーザの脳内の標的の位置までに生じる光子からのデータを抽出することにより、皮膚および骨を透過した深部の解剖学的部位の光学検出を可能にする点で、表面組織構造または完全に光学的に透明な構造を単に撮像するにすぎない従来の撮像システムおよび方法（例えば、光干渉断層撮影（ＯＣＴ））と異なる。
【0044】
ブレインインタフェースシステム１０２０は、通信リンク１０３０を経由して光検出器１０２４および光源１０２６と通信（例えば、光検出器１０２４および光源１０２６からの信号を制御および／または受信）するように構成されたプロセッサ１０２８を更に備えてもよい。通信リンク１０３０は、任意の好適な有線および／または無線の通信リンクを含んでもよい。プロセッサ１０２８は、任意の好適な筐体を備えてもよく、所望により、ユーザの頭皮、首、肩、胸、または腕に設置されてもよい。いくつかの変形例において、プロセッサ１０２８は、光検出器１０２４および光源１０２６と同一のアセンブリハウジングに統合されてもよい。
【0045】
図示されるように、ブレインインタフェースシステム１０２０は、プロセッサ１０２８と通信するリモートプロセッサ１０３２を任意で備えてもよい。例えば、リモートプロセッサ１０３２は、前回の検出セッションからの、および／または多数のブレインインタフェースシステム（図示せず）からの、光検出器１０２４および／またはプロセッサ１０２８から測定されたデータを記憶してもよい。光検出器１０２４、光源１０２６、および／またはプロセッサ１０２８用の電力は、ウェアラブルバッテリ（図示せず）経由で供給されてもよい。いくつかの例において、プロセッサ１０２８およびバッテリは、単一の筐体に収納してもよく、プロセッサ１０２８およびバッテリからの電力信号を伝えるワイヤは、光検出器１０２４および光源１０２６まで延在していてもよい。あるいは、電力は、（例えば、誘導により）無線で提供されてもよい。
【0046】
いくつかの別の実施形態においては、ヘッドマウンタブルコンポーネント１０２２は、個別の光源を備えない。代わりに、光検出器１０２４により検知される光を生成するように構成された光源が、ブレインインタフェースシステム１０２０内の別の場所に設けられていてもよい。例えば、光源は、プロセッサ１０２８に設けられていてもよく、電気的接続を通して光検出器ユニット１０２４に接続されていてもよい。
【0047】
本明細書に記載の光源は、それぞれ、任意の好適なデバイスにより実装されてもよい。例えば、本明細書で使用される光源は、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザ、半導体レーザ（ＬＤ）、スーパールミネッセント発光ダイオード（ｓＬＥＤ）、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、チタンサファイアレーザ、マイクロ発光ダイオード（ｍＬＥＤ）、および／または任意の他の好適なレーザまたは光源であってもよい。
【0048】
図１０Ａに示す光検出器システム１０００は、あるいは、ノンウェアラブルデバイス（例えば、ユーザの頭部または他の身体部位の近くに設置され、１つまたは複数の診断、撮像、および／またはコンシューマ関連動作を行う医療機器および／またはコンシューマデバイス）に備えられてもよい。光検出器システム１０００は、あるいは、ウェアラブル侵襲デバイス（例えば、脳の記録および撮像用の埋め込み型医療機器）のサブアセンブリ筐体に設けられてもよい。
【0049】
任意の好適なＳＰＡＤ回路が、本明細書に記載の光検出器アーキテクチャ内で使用されてもよい。本明細書に記載のＳＰＡＤ回路のいくつかは、ＳＰＡＤを作動させるコマンドが提供される前にバイアス電圧で事前に充電されるコンデンサで（または、場合によっては、ＳＰＡＤ自体の寄生容量で）ゲートされる。これは、参照により、その全体を先に援用した米国特許第１０，１５８，０３８号において更に詳細に記載されている。
【0050】
図１１に、低電力ＴＤＣアーキテクチャを備えた光検出器システム（例えば、本明細書に記載の光検出器システムのいずれか）を使用して時間間隔を測定するための方法１１００の例を示す。図１１は一実施形態にかかる動作の例を示すが、他の実施形態では、図１１に示す動作のいずれを省略、追加、並び替え、および／または改変してもよい。
【0051】
動作１１０２において、ＴＤＣは、標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、光パルスが標的から反射された後に当該光パルスの光子を光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号であって、ＴＤＣのＧＲＯをイネーブルするように構成された信号を受信する。動作１１０２は、本明細書に記載の方法のいずれで実行されてもよい。
【0052】
動作１１０４において、ＴＤＣは、ＧＲＯを使用して、イベントの発生時と所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔を測定する。動作１１０４は、本明細書に記載の方法のいずれで実行されてもよい。
【0053】
動作１１０６において、ＴＤＣに接続された制御回路は、時間間隔および所定のイベント検出時間窓に基づいて、光検出器への光子の到達時刻を判定する。動作１１０６は、本明細書に記載の方法のいずれで実行されてもよい。
【0054】
図１２に、本明細書に記載の処理の１つまたは複数の処理を実行するように具体的に構成可能なコンピュータデバイス１２００の例を示す。図１２に示すように、コンピュータデバイス１２００は、通信基盤１２１０を介して相互に通信可能に接続された、通信インタフェース１２０２、プロセッサ１２０４、記憶装置１２０６、および入出力（「Ｉ／Ｏ」）モジュール１２０８を備えてよい。図１２にはコンピュータデバイス１２００の例が示されているが、図１２に示すコンポーネントは、限定を意図したものではない。他の実施形態においては、追加的なコンポーネントまたは代替的なコンポーネントが使用されてもよい。以下、図１２に示すコンピュータデバイス１２００のコンポーネントについて、更に詳述する。
【0055】
通信インタフェース１２０２は、１つまたは複数のコンピュータデバイスと通信するように構成されてもよい。通信インタフェース１２０２の例としては、限定はしないが、（ネットワーク・インタフェース・カード等の）有線ネットワークインタフェース、（無線ネットワーク・インタフェース・カード等の）無線ネットワークインタフェース、モデム、オーディオ／ビデオ接続、および任意の他の好適なインタフェースを挙げることができる。
【0056】
プロセッサ１２０４は、一般に、データ処理、および／または本明細書に記載の指示、処理、および／または動作の１つまたは複数についての実施の解釈、実行、および／または指示が可能な任意の種類または形式の処理装置を表す。プロセッサ１２０４は、記憶装置１２０６に記憶された、コンピュータにより実行可能な指示１２１２（例えば、アプリケーション、ソフトウェア、コード、および／または他の実行可能なデータインスタンス）を実行することにより、動作を実行してもよい。
【0057】
記憶装置１２０６は、１つまたは複数のデータ記憶媒体、デバイス、または構成を備えてよく、任意のタイプ、形式、および組み合わせのデータ記憶媒体および／またはデバイスを採用してもよい。例えば、記憶装置１２０６は、本明細書に記載の任意の組み合わせの不揮発性媒体および／または揮発性媒体を備えてもよいが、これらに限定されない。本明細書に記載のデータを含む電子データは、一時的に、および／または恒久的に記憶装置１２０６に記憶されてもよい。例えば、本明細書に記載の動作のいずれを実行するようにプロセッサ１２０４に指示するように構成されたコンピュータが実行可能な指示１２１２を表すデータは、記憶装置１２０６内に記憶されてもよい。いくつかの例において、データは、記憶装置１２０６内に存在する１つまたは複数のデータベースに配置されてもよい。
【0058】
Ｉ／Ｏモジュール１２０８は、ユーザ入力を受信し、ユーザ出力を提供するように構成された１つまたは複数のＩ／Ｏモジュールを含んでもよい。Ｉ／Ｏモジュール１２０８は、入出力機能を支援する、任意のハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。例えば、Ｉ／Ｏモジュール１２０８は、限定はしないが、キーボード、キーパッド、タッチスクリーンコンポーネント（例えば、タッチスクリーンディスプレイ）、受信機（例えば、ＲＦまたは赤外線受信機）、モーションセンサ、および／または１つまたは複数の入力ボタンを含む、ユーザ入力を受け付けるためのハードウェアおよび／またはソフトウェアを含んでもよい。
【0059】
Ｉ／Ｏモジュール１２０８は、グラフィックスエンジン、ディスプレイ（例えば、ディスプレイ画面）、１つまたは複数の出力ドライバ（例えば、ディスプレイドライバ）、１つまたは複数の音声スピーカ、および１つまたは複数の音声ドライバを備えるが、それらに限定されない、ユーザへの出力を提示するための１つまたは複数のデバイスを備えてもよい。実施形態によっては、Ｉ／Ｏモジュール１２０８は、ユーザに提示するための画面にグラフィカルデータを提供するように構成されている。グラフィカルデータは、１つまたは複数のグラフィカル・ユーザ・インタフェースおよび／または特定の実装に対応可能な任意の他のグラフィカルコンテンツを表してもよい。
【0060】
いくつかの例において、本明細書に記載のシステム、コンピュータデバイス、プロセッサ、制御ユニット、および／または他のコンポーネントは、いずれも、コンピュータデバイス１２００により実装されてよい。例えば、制御回路１０６、信号処理回路１１０、および／または制御回路２１６は、プロセッサ１２０４により実装されてよい。
【0061】
これまでの説明では、様々な例示的な実施形態を、添付の図面を参照しながら説明してきた。しかしながら、以下の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、これに様々な修正または変更を加えたり、追加の実施形態を実施したりすることができることは明らかであろう。例えば、本明細書に記載の一実施形態の特定の特徴は、本明細書に記載の別の実施形態の特徴と組み合わせたり、代用したりしてもよい。したがって、本記載と図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で捉えられるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【手続補正書】
【提出日】2022-02-04
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光検出器と、前記光検出器に接続された時間デジタルコンバータ（ＴＤＣ）であって、
標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、前記光パルスが前記標的から反射された後に当該光パルスの光子を前記光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号であって、前記ＴＤＣのゲーテッドリングオシレータ（ＧＲＯ）であって、前記ＧＲＯがディセーブルされたときに当該ＧＲＯの状態を記憶するように構成された１組または複数組の交差接続されたインバータを備えるＧＲＯをイネーブルするように構成された信号を受信し、
前記ＧＲＯを使用して、前記イベントの発生時と前記所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔であって、記憶された前記ＧＲＯの状態をデコードすることにより測定される時間間隔を測定するように構成されたＴＤＣと、
前記ＴＤＣに接続された制御回路であって、前記時間間隔および前記所定のイベント検出時間窓に基づいて、前記光検出器への前記光子の到達時刻を判定するように構成された制御回路と
を備え、
前記ＴＤＣは、外部基準クロックを供給する位相ロックループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）から電圧を受け取るように構成されており、
前記ＧＲＯをイネーブルすることまたは前記時間間隔を測定することの少なくとも一方は、受け取られた電圧に更に基づいて行われる、システム。
【請求項2】
前記信号は、前記信号が前記ＴＤＣにより受信されている間、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをイネーブルし、
前記信号が停止すると、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記ＴＤＣは、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記所定のイベント検出時間窓の後で、受信するように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記第２の信号は、前記所定のイベント検出時間窓が完了すると受信される、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記ＴＤＣは、前記時間間隔の後で、追加的な時間間隔を測定するように更に構成されており、前記制御回路は、測定された追加的な時間間隔に基づいて前記ＴＤＣを較正するように更に構成されており、
前記光子の前記到達時刻は、前記ＴＤＣを較正することに更に基づいて判定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記追加的な時間間隔の長さは、前記所定のイベント検出時間窓の長さと同一または実質的に同様である、請求項５に記載のシステム。
【請求項7】
前記ＴＤＣを較正するための演算を実行するように構成された較正回路を更に備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項8】
前記ＴＤＣを較正するための演算を可能にするように構成されたルックアップテーブルを更に備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項9】
前記ＴＤＣは、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記追加的な時間間隔の後で、受信するように更に構成されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項10】
前記ＴＤＣは、前記所定のイベント検出時間窓の開始時刻を指定するイベント窓信号を受信するように更に構成されており、前記光子の前記到達時刻は、前記所定のイベント検出時間窓の前記開始時刻に更に基づいて判定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記光検出器は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、
前記ＳＰＡＤを作動および解除するように構成された高速ゲート回路と
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
光検出器に接続された時間デジタルコンバータ（ＴＤＣ）により、標的への光パルスの印加に応じて開始される所定のイベント検出時間窓中、前記光パルスが前記標的から反射された後に当該光パルスの光子を前記光検出器により検出するイベントによりトリガされた信号であって、前記ＴＤＣのゲーテッドリングオシレータ（ＧＲＯ）であって、前記ＧＲＯがディセーブルされたときに党が負いＧＲＯの状態を記憶するように構成された１組または複数組の交差接続されたインバータを備えるＧＲＯをイネーブルするように構成された信号を受信することと、前記ＴＤＣにより、および前記ＧＲＯを使用して、前記イベントの発生時と前記所定のイベント検出時間窓の終了時との間の時間間隔を測定することであって、記憶された前記ＧＲＯの状態をデコードすることを含む、前記時間間隔を測定することと、
前記ＴＤＣにより、外部基準クロックを供給する位相ロックループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）から電圧を受け取ることと、
前記ＴＤＣに接続された制御回路により、前記時間間隔および前記所定のイベント検出時間窓に基づいて、前記光検出器への前記光子の到達時刻を判定することとを含み、
前記ＧＲＯをイネーブルすることまたは前記時間間隔を測定することの少なくとも一方は、受け取られた電圧に更に基づいて行われる、方法。
【請求項13】
前記信号は、前記信号が前記ＴＤＣにより受信されている間、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをイネーブルし、
前記信号が停止すると、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように更に構成されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記ＴＤＣにより、前記ＴＤＣの前記ＧＲＯをディセーブルするように構成された第２の信号を、前記所定のイベント検出時間窓の後で、受信することを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
前記第２の信号は、前記所定のイベント検出時間窓が完了すると受信される、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】