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荧光寿命显微成像技术(Fluorescence Lifetime Image Microscopy,FLIM)是一种广泛应用于生物学、医学等领域的生物分子识别方法。荧光强度易受荧光染料分布浓度、光漂白、样本吸收等环境因素影响。荧光寿命则是一种相对参数,仅与荧光团所处的微环境有关,灵敏度高、可靠性强。在探测器方面,基于光电倍增管的扫描结构严重限制了系统帧频,因此单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)探测阵列应运而生,且SPAD能够与CMOS工艺兼容,提高系统集成度。在芯片结构方面,在光子率低的情况下,通常选择光子利用率高的时间相关单光子计数(Time Correlated Single Photon Counting,TCSPC)结构。已报道的SPAD FLIM系统具有数据流量较高的问题,因此本文对降低系统数据率进行了探索,并对成像芯片关键技术进行了研究。本课题研究提出了一种像素内集成时间量化与累加功能模块的成像架构,实现在像素内预处理事件脉冲信号,达到降低系统数据率的目的。在集成像素方面,研究设计了基于P~+N型有源区和虚拟保护环结构的SPAD,并进行了Verilog A建模分析;在预处理电路方面,研究了基于门控环形振荡器的时间数字转换器的工作原理,设计了适用于FLIM应用的时间数字转换单元,相同行像素的时间数字转换单元由同一个锁相环提供偏置电压。本课题采用质心算法(Center of Mass Method,CMM)根据时间量化数据进行寿命还原计算,并提出了一种基于快速估算RLD和CMM结合的两级校正方法,有效拓展了寿命推演范围。本设计采用SMIC 0.18μm CMOS工艺完成了芯片的电路设计,SPAD阵列分辨率为10×10,像素中心距为62μm,填充因子为1.3%,单位像素数据率为0.01Mbps,单位像素功耗为192.6μW,设计成像帧频为400fps,信噪比为34dB。通过像素内积分时间脉冲的量化信号,有效的降低了系统数据流量;本芯片结构在生物检测、临床诊断等高帧频、高集成度应用领域有较好应用前景。