门控互补型光子计数系统技术方案

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术所提供的互补型光子计数系统，应用在高速单光子计数成像领域，能够有效抑制后脉冲效应、暗计数和检测单元间串扰对探测率带来的不利影响，提高光子计数的探测率和精确度。

Gate controlled complementary photon counting system

The invention discloses a complementary gated photon counting system, including the clock circuit module, active quenching detection module, register module and a processing module, clock circuit module includes a frequency locked loop circuit and non overlapping clock generation module. Active quenching circuit module comprises a plurality of detection units, wherein each detection unit comprises a APD detector, active quenching circuit and a counter; for each detection unit in order to position, all located in the odd position detection unit and even in the position of the detection unit are respectively composed of two detection array. Complementary photon counting system provided by the invention is applied in high-speed single photon counting imaging field, can adversely affect the pulse effect, dark counts and the detecting unit of crosstalk between detection rate effectively, improve the detection rate and accuracy of photon counting.

【技术实现步骤摘要】
门控互补型光子计数系统
本专利技术涉及高速单光子计数成像
，特别是门控互补型光子计数系统。
技术介绍
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(AvalanchePhotodiode,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(GeigerMode,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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术所述的门控互补型光子计数系统进一步优化方案，时钟电路模块还包括帧字位信号产生模块，帧字位信号产生模块用于对锁频环电路产生固定的时钟信号，经过多段分频处理得到不同周期的控制和标识信号，其中，控制信号包括位信号，位信号在外部输入的使能信号有效时用作寄存器模块的时钟信号，标识信号包括帧信号和字信号，帧信号和字信号用于标识寄存器模块将光子的计数值串行移位输出至处理模块的传输状态。作为本专利技术所述的门控互补型光子计数系统进一步优化方案，非重叠时钟产生模块是利用与非门和反相器构建而成的，向非重叠时钟产生模块输入一个占空比为50%的时钟信号，经由非重叠时钟产生模块处理后，得到两个同频互补的时钟。作为本专利技术所述的门控互补型光子计数系统进一步优化方案，非重叠时钟产生模块包括第一至第五非门、第一二输入与非门和第二二输入与非门，其中，第一非门的输入端与第二二输入与非门的第一输入端连接，第一非门的输出端与第一二输入与非门的第一输入端连接，第一二输入与非门的第二输入端与第四非门的输出端、第五非门的输入端分别连接，第一二输入与非门的输出端与第二非门的输入端连接，第二非门的输出端与第二二输入与非门的第二输入端、第三非门的输入端分别连接，第二二输入与非门的输出端与第四非门的输入端连接。作为本专利技术所述的门控互补型光子计数系统进一步优化方案，所述计数器是采用D触发器构成的异步计数器，采取前级输出驱动后级时钟的级联方式。作为本专利技术所述的门控互补型光子计数系统进一步优化方案，处理模块对各个检测单元的计数值进行处理；处理具体如下：将相邻的第q个检测单元的计数值和第q+1个检测单元的计数值相加，0＜q＜Q/2，q为奇数，Q为检测单元的总个数，Q为偶数。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：（1）本专利技术提出一种应用于雪崩光电二极管阵列的互补型光子计数系统，采用非重叠时钟控制相邻雪崩二极管（SPAD）交替工作，替代传统方案的单个像素，可以减少像素的探测死区时间，实现阵列探测器的连续探测；（2）本专利技术应用在高速单光子计数成像领域，能够有效抑制后脉冲效应、暗计数和像素间串扰对探测率带来的不利影响，提高光子计数的探测率和精确度。附图说明图1是光子计数系统框图；图2是非重叠时钟产生电路图；图3是非重叠时钟波形图；图4是适用于采样互补型光子计数的AQC电路；图5是帧字位控制信号的时序图；图6是并转串输出的寄存器原理图；图7是光子计数系统时序控制波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：APD探测器与ROIC（Read-Out-Intergrated-Circuit）读出电路的集成是实现单光子智能传感检测的必然趋势。为了克服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，本专利技术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，提高光子计数系统的探测率及精确度。本专利技术所述光子计数系统采用的互补采样探测模式，在高频互补时钟控制传感器电路的交替通断状态下，使其中一条支路在雪崩待测状态时，相邻的支路处于关断状态，避免了像素间串扰和APD因长期处于雪崩待测状态而引起的暗计数等弊端。而且本专利技术所采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
门控互补型光子计数系统，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】
1.门控互补型光子计数系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的门控互补型光子计数系统，其特征在于，锁频环电路用于产生固定的50MHz时钟信号。3.根据权利要求1所述的门控互补型光子计数系统，其特征在于，时钟电路模块还包括帧字位信号产生模块，帧字位信号产生模块用于对锁频环电路产生固定的时钟信号，经过多段分频处...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金，张广超，张伟东，田江江，郑丽霞，孙伟锋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32