[发明专利]门控互补型光子计数系统

说明书

技术领域

本发明涉及高速单光子计数成像技术领域，特别是门控互补型光子计数系统。

背景技术

对自然界中微弱光信号精密探测的微光检测技术，在生物医学、光纤通信、高速显像测量、免疫检测和环境辐射检测等科学研究、生产和生活等领域都获得了日益广泛的应用，而此类应用的拓展与深入，又对高灵敏探测器及其检测技术提出了越来越高的要求。近年来雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)这个固态光电传感器因其优异的传感性能，极大推动了单光子探测技术的发展。当APD偏置在反偏电压超过其反向击穿电压的盖革模式(Geiger Mode, GM)下，电流增益随反偏电压的增大而指数式上升，在这种模式下，APD又被称为单光子雪崩二极管（SPAD）。

单光子雪崩二极管（SPAD）探测率主要受两个方面的影响。一是量子效率，即入射光子能被SPAD有效的吸收并且激发雪崩状态的几率，若是SPAD吸收光子却没有激发雪崩电流，就不会产生脉冲信号，因为后续电路计数的是脉冲信号的数量，而不是SPAD中发生碰撞电离的次数；二是由于暗计数造成的影响，暗计数有两类来源：一类是由于隧穿效应和热激发噪声引起的暗计数，一类是由获得载流子之后再释放的后脉冲效应引起的暗计数。其中量子效率由SPAD器件本身性能决定，无法通过电路结构设计来改变，而第二类的暗计数则可以通过工作模式和电路结构的改进来降低其影响。

合适的探测模式可以提升光子计数系统的探测率。在传统探测模式下，探测器会一直处于探测模式直至有光子触发雪崩事件，才淬灭APD，而当较长时间没有光子触发APD，即待测时间过长时，会增加暗计数的概率并对APD造成损耗；并且当APD被淬灭后，都需要Hold-off-time电路将APD强制进入截止状态，以确保APD陷阱检测状态中的载流子释放完，从而消除了后脉冲效应对探测率的影响。从淬灭电路抑制雪崩到复位雪崩待测的这段时间即为死区时间，由于死区时间的存在，传统的探测模式无法实现连续探测；此外传统的探测模式还常常存在相邻像素之间的光学串扰问题，即APD上触发的雪崩事件是由另一相邻APD的雪崩事件所引起的现象。因此存在热噪声暗计数和后脉冲效应及像素间串扰对系统探测率的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供门控互补型光子计数系统，本发明的门控互补型光子计数系统采用双支路AQC探测模式，通过优化工作方式与控制方法，充分的发挥APD最大潜能，有效抑制后脉冲效应、暗计数和像素间串扰对系统产生的影响，提高光子计数系统的探测率及精确度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的门控互补型光子计数系统，包括时钟电路模块、主动淬灭检测模块、寄存器模块和处理模块，时钟电路模块包括锁频环电路和非重叠时钟产生模块，主动淬灭检测电路模块包括若干个检测单元，所述每个检测单元包括APD探测器、主动淬灭电路和计数器；对每个检测单元按顺序进行位置排序，位于奇数位置的所有检测单元和位于偶数位置的所有检测单元分别构成两个检测阵列，其中，

锁频环电路，用于产生固定的时钟信号并将其输出至非重叠时钟产生模块；

非重叠时钟产生模块，用于当接收到锁频环电路产生的时钟信号后，输出两个同频互补的时钟信号用于控制两个检测阵列交替工作；

APD探测器，用于检测光子，并在光子到来时输出雪崩电流至主动淬灭电路检测；主动淬灭电路，用于当检测到雪崩电流后产生感应信号输出至计数器；

计数器，用于在外部输入的使能信号上升沿时被复位归零，使能信号在高电平期间内对接收的感应信号进行计数，使能信号在低电平期间将计数值锁存进寄存器模块中；

寄存器模块，用于在外部输入的使能信号无效时，寄存计数器的计数值，并在使能信号有效时，将光子的计数值串行移位输出至处理模块；

处理模块，用于接收由寄存器模块传输过来的各个检测单元的计数值，实现对光子数的数据处理。

作为本发明所述的门控互补型光子计数系统进一步优化方案，锁频环电路用于产生固定的50MHz时钟信号。