[發明專利]門控互補型光子計數系統

在審

• 申請號: 201710918750.0
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107806931A
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 吳金;張廣超;張偉東;田江江;鄭麗霞;孫偉鋒
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 朱楨榮

技術領域

本發明涉及高速單光子計數成像技術領域，特別是門控互補型光子計數系統。

背景技術

對自然界中微弱光信號精密探測的微光檢測技術，在生物醫學、光纖通信、高速顯像測量、免疫檢測和環境輻射檢測等科學研究、生產和生活等領域都獲得了日益廣泛的應用，而此類應用的拓展與深入，又對高靈敏探測器及其檢測技術提出了越來越高的要求。近年來雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode, APD)這個固態光電傳感器因其優異的傳感性能，極大推動了單光子探測技術的發展。當APD偏置在反偏電壓超過其反向擊穿電壓的蓋革模式(Geiger Mode, GM)下，電流增益隨反偏電壓的增大而指數式上升，在這種模式下，APD又被稱為單光子雪崩二極管（SPAD）。

單光子雪崩二極管（SPAD）探測率主要受兩個方面的影響。一是量子效率，即入射光子能被SPAD有效的吸收并且激發雪崩狀態的幾率，若是SPAD吸收光子卻沒有激發雪崩電流，就不會產生脈沖信號，因為后續電路計數的是脈沖信號的數量，而不是SPAD中發生碰撞電離的次數；二是由于暗計數造成的影響，暗計數有兩類來源：一類是由于隧穿效應和熱激發噪聲引起的暗計數，一類是由獲得載流子之后再釋放的后脈沖效應引起的暗計數。其中量子效率由SPAD器件本身性能決定，無法通過電路結構設計來改變，而第二類的暗計數則可以通過工作模式和電路結構的改進來降低其影響。

合適的探測模式可以提升光子計數系統的探測率。在傳統探測模式下，探測器會一直處于探測模式直至有光子觸發雪崩事件，才淬滅APD，而當較長時間沒有光子觸發APD，即待測時間過長時，會增加暗計數的概率并對APD造成損耗；并且當APD被淬滅后，都需要Hold-off-time電路將APD強制進入截止狀態，以確保APD陷阱檢測狀態中的載流子釋放完，從而消除了后脈沖效應對探測率的影響。從淬滅電路抑制雪崩到復位雪崩待測的這段時間即為死區時間，由于死區時間的存在，傳統的探測模式無法實現連續探測；此外傳統的探測模式還常常存在相鄰像素之間的光學串擾問題，即APD上觸發的雪崩事件是由另一相鄰APD的雪崩事件所引起的現象。因此存在熱噪聲暗計數和后脈沖效應及像素間串擾對系統探測率的影響。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供門控互補型光子計數系統，本發明的門控互補型光子計數系統采用雙支路AQC探測模式，通過優化工作方式與控制方法，充分的發揮APD最大潛能，有效抑制后脈沖效應、暗計數和像素間串擾對系統產生的影響，提高光子計數系統的探測率及精確度。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

根據本發明提出的門控互補型光子計數系統，包括時鐘電路模塊、主動淬滅檢測模塊、寄存器模塊和處理模塊，時鐘電路模塊包括鎖頻環電路和非重疊時鐘產生模塊，主動淬滅檢測電路模塊包括若干個檢測單元，所述每個檢測單元包括APD探測器、主動淬滅電路和計數器；對每個檢測單元按順序進行位置排序，位于奇數位置的所有檢測單元和位于偶數位置的所有檢測單元分別構成兩個檢測陣列，其中，

鎖頻環電路，用于產生固定的時鐘信號并將其輸出至非重疊時鐘產生模塊；

非重疊時鐘產生模塊，用于當接收到鎖頻環電路產生的時鐘信號后，輸出兩個同頻互補的時鐘信號用于控制兩個檢測陣列交替工作；

APD探測器，用于檢測光子，并在光子到來時輸出雪崩電流至主動淬滅電路檢測；主動淬滅電路，用于當檢測到雪崩電流后產生感應信號輸出至計數器；

計數器，用于在外部輸入的使能信號上升沿時被復位歸零，使能信號在高電平期間內對接收的感應信號進行計數，使能信號在低電平期間將計數值鎖存進寄存器模塊中；

寄存器模塊，用于在外部輸入的使能信號無效時，寄存計數器的計數值，并在使能信號有效時，將光子的計數值串行移位輸出至處理模塊；

處理模塊，用于接收由寄存器模塊傳輸過來的各個檢測單元的計數值，實現對光子數的數據處理。

作為本發明所述的門控互補型光子計數系統進一步優化方案，鎖頻環電路用于產生固定的50MHz時鐘信號。