[發(fā)明專利]一種基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列的電荷積分成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010595694.3
• 申請(qǐng)日: 2020-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111721408B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張蠟寶;印睿;張彪;郭書(shū)亞;譚靜柔;葛睿;康琳;吳培亨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J1/42
• 分類號(hào): G01J1/42
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 康翔

1.一種基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列的電荷積分成像方法，其特征在于，包括：

采用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器作為陣元，組成超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列，陣元的數(shù)量可調(diào)整；

陣元采用納米線電路、放大電路、轉(zhuǎn)換電路、積分電路、緩沖器，納米線電路連接放大電路的輸入端，放大電路的輸出端經(jīng)轉(zhuǎn)換電路連接積分電路的輸入端，積分電路的輸出端經(jīng)緩沖器連接計(jì)算機(jī)；

納米線電路位于陣元中心位置，采用超導(dǎo)納米線與薄膜電阻并聯(lián)，與共面超導(dǎo)延遲線連接，各行的超導(dǎo)延遲線彼此連接，薄膜電阻采用10Ω至10000Ω，超導(dǎo)納米線光響應(yīng)產(chǎn)生的電阻為kΩ至MΩ量級(jí)，薄膜電阻將納米線產(chǎn)生的電阻短路，釋放內(nèi)部超導(dǎo)電性擾動(dòng)形成的臨時(shí)電阻，使納米線快速恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)；

放大電路采用第一級(jí)放大電路、第二級(jí)放大電路、補(bǔ)償電路、偏置電路，第一級(jí)放大電路采用差分輸入放大器，第二級(jí)放大電路采用共源放大器，補(bǔ)償電路由工作在線性區(qū)的MOS管和電容組成，第一級(jí)放大電路經(jīng)補(bǔ)償電路向第二級(jí)放大電路輸出，偏置電路由MOS管和電阻組成，為兩級(jí)放大電路提供恒定偏置電流，各列陣元共用一個(gè)恒定電流源，產(chǎn)生穩(wěn)定電流；

轉(zhuǎn)換電路采用比較器和MOS管，將輸入電壓接入比較器同相輸入端，將參考電壓接入比較器反相輸入端，將比較器的輸出端經(jīng)上拉電阻接入MOS管柵極，將MOS管漏極作為輸出電流，若輸入電壓高于參考電壓，則MOS管導(dǎo)通輸出電流；

積分電路采用MOS管和電容，輸入電流通過(guò)MOS管向電容充電，實(shí)現(xiàn)積分，電路在積分前復(fù)位至低電位，采用開(kāi)關(guān)強(qiáng)制復(fù)位或MOS管復(fù)位；

采用透鏡陣列作為光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)，將透射光分成與陣元數(shù)量相等的多光束，分別匯聚到超導(dǎo)納米線探測(cè)區(qū)域，采用脈沖式激光器探測(cè)物體表面，將物體表面反射的不同光脈沖透過(guò)透鏡陣列，記錄每個(gè)光子的往返時(shí)間；

將陣元置于超導(dǎo)低溫下，將納米線電路偏置在稍低于納米線超導(dǎo)臨界電流的狀態(tài)，使納米線吸收光子，破壞吸收區(qū)域的超導(dǎo)態(tài)，出現(xiàn)熱島效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，納米線冷卻，熱島效應(yīng)消失，納米線恢復(fù)初始狀態(tài)，阻值發(fā)生變化，納米線阻值的變化使電路產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，通過(guò)超導(dǎo)延遲線，將電脈沖信號(hào)經(jīng)放大電路放大，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)積分電路獲得電流信號(hào)的電荷量，作為吸收光子的電荷量，將吸收光子的電荷量存入緩沖器，按行輸入計(jì)算機(jī)，和單個(gè)光子的電荷量比較，得到吸收光子的數(shù)量；

采集各陣元探測(cè)的光子數(shù)，將陣元作為像元，由陣元的光子數(shù)計(jì)算像元的灰度值，將像元作為像素點(diǎn)繪制灰度圖，由每個(gè)光子的往返時(shí)間計(jì)算物體和像素點(diǎn)的物像距離，根據(jù)灰度圖和物像距離重建物體的三維圖像。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列的電荷積分成像方法，其特征在于，所述將像元作為像素點(diǎn)繪制灰度圖，包括：設(shè)定納米線產(chǎn)生光響應(yīng)的像元位置為x_a,光子被吸收的時(shí)間點(diǎn)為t_a,像元產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)沿納米線的傳輸速度為v，經(jīng)外圍電路和寄存器的延遲，被計(jì)算機(jī)讀出的時(shí)間分別為τ和τ’，每行超導(dǎo)延遲線的等效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則τ＝t_a+(L-x_a)/v，τ’＝t_a+x_a/v，吸收光子后x_a＝((τ-τ’)v+L)/2，t_a＝((τ+τ’)–L/v)/2；設(shè)定每行有n個(gè)像元同時(shí)產(chǎn)生光響應(yīng)，讀出時(shí)間為τ₁，τ₂，···，τ_n，計(jì)算得到光響應(yīng)的位置。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)陣列的電荷積分成像方法，其特征在于，所述由每個(gè)光子的往返時(shí)間計(jì)算物體和像素點(diǎn)的物像距離，包括：設(shè)定光子的往返時(shí)間為τ_all，光速為c，則物體位置距離像素點(diǎn)距離l＝c*τ_all/2。