单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)阵列探测器凭借自身灵敏度高、集成性强、检测速度快、功耗低、能够检测极其微弱的光信号等优点在生物研究、荧光寿命测量、激光成像雷达等方面得到了广泛的应用。配合SPAD探测器阵列设计而成的读出电路需要在不同应用中准确记录并输出各像素上的光子探测信息,对探测器的性能优劣至关重要。近年来,国内外对于SPAD成像技术领域的研究正在快速发展,但我国在大规模SPAD阵列及其读出电路的研究、设计与应用技术上仍然处于入门阶段。经研究,大多数应用仍采用基于时钟驱动的同步读出电路,该方法存在大量冗余数据,严重限制了传输带宽。为了克服这种速度限制,优化后的多通道并行读出电路被提出,该方法通过TDC通道共享来提高相对速度,但是由于共享数量的有限性,无法缓解有效光子的读出冲突,且在不均匀照明的微弱光条件下存在共享资源的浪费。为了解决冗余数据和读出冲突的问题,本文针对SPAD的应用特点,设计了一种新型的全并行阵列异步读出方法,允许不同像素的光子探测和读出同步进行,能够实时读出并存储阵列中命中像素的测量时间值和对应的二维坐标地址值。在本论文中,首先,针对光子在时间分布和位置分布上的随机性,提出了一种随机信号源的建模方法,并通过SPSS软件进行了分布验证。其次,针对核心的异步读出,一方面,建立了一种新的像素结构和系统架构,利用触发器和计数器对像素命中及读出状态进行区分,与外部比较逻辑相结合,对像素的读出顺序完成优先权仲裁。另一方面,对所设计的读出电路的各个模块的电路结构进行了详细的设计和分析,并通过FPGA对各个模块进行了功能仿真和时序仿真。最后,本文通过UART串行总线将读出数据上传至PC机进行显示,验证了该读出电路的准确度和可行性,为更大规模的阵列研究奠定了基础。实验结果表明,本文所设计的异步读出电路仅对命中像素完成读取,从源头上消除了冗余数据,读出速度优于同步读出方式,同时,由于像素阵列的全并行仲裁,避免了传统异步读出方式中的堆积效应。