【技术实现步骤摘要】
本申请涉及光电子学和半导体器件，特别是一种涉及基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器及其控制方法。
技术介绍
1、模拟硅光电倍增器（a-sipm，analog- silicon photomultiplier）在粒子物理与核物理研究、核医学诊疗、激光雷达、荧光检测领域有非常重要和广泛的应用。现有的a-sipm可以理解为由许多单光子雪崩二极管spad（single photon avalanche diode）阵列组成。其将所有单个spad雪崩后的电流信号进行模拟累加，但是缺陷在于这种微弱信号需要特定的物理信号处理芯片进行放大，甄别等过程来获得能量信息，能量分辨率受到读出电路的影响，且设计门槛高。此外，现在a-sipm由于工艺参数缺陷，部分高暗记数的spad器件无法进行关闭，限制了其动态范围。导致现有的模拟sipm读出电路要求高，能量分辨率、动态范围受限。
2、因此，亟待一种在保证sipm具有大动态范围、高信噪比等特点前提下，实现sipm在纳秒至亚微秒的时间窗口内可调的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器及其控制方法，以解决现有技术存在的问题。
技术实现思路
1、本申请实施例提供了一种基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器及其控制方法，针对目前技术存在的模拟sipm读出电路要求高，能量分辨率、动态范围受限等问题。
2、本专利技术核心技术主要是spad的阳极anode接入被动淬灭电路（pqc，passive-quenching circuit），其输出接入到d
3、第一方面，本申请提供了基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，所述方法包括以下步骤：
4、s00、响应于光信号，在spad的阳极产生激励信号并经过pqc转换为数字电平信号pqc_out；
5、s10、数字电平信号pqc_out触发第一级d触发器得到记录数字电平信号pqc_out脉冲信息的记录信号pqc_out_mid；
6、s20、记录信号pqc_out_mid作为输入结合数字信号pix_lat触发第二级d触发器得到信号lat_out，以捕获一个spad的能量信息；
7、其中，以2的n次方表示信号的路数以及spad阵列中spad的个数；
8、s30、通过加法器阵列将2的n次方路信号lat_out累加到n比特并输出，以得到整个spad阵列的能量信息；
9、s40、通过低电平复位信号pix_rst来复位第一级d触发器，以备下次测量；
10、其中，低电平复位信号pix_rst的周期大于数字电平信号pqc_out的脉冲宽度。
11、进一步地，s10步骤中，数字电平信号pqc_out输入到第一级d触发器的时钟输入端。
12、进一步地，s20步骤中，记录信号pqc_out_mid输入到第二级d触发器的数据输入端。
13、进一步地，s20步骤中，数字信号pix_lat输入到第二级d触发器的时钟输入端。
14、第二方面，本申请提供了基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器，应用于上述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，包括：
15、主机，用于输出数字信号pix_lat和低电平复位信号pix_rst；
16、spad阵列，每个spad的阳极连接pqc的输入端，用于产生激励信号；
17、pqc，与每个spad对应，输出端连接第一级d触发器的时钟输入端；
18、第一级d触发器，数据输入端接入电源电压，复位端接入低电平复位信号pix_rst，输出端输出记录数字电平信号pqc_out脉冲信息的记录信号pqc_out_mid；
19、第二级d触发器，时钟输入端接入数字信号pix_lat，数据输入端接入记录信号pqc_out_mid，输出端输出信号lat_out至加法器阵列；
20、加法器阵列，用于实现2的n次比特数据信息到n比特数据信息的转换；
21、其中，单个spad、pqc、第一级d触发器以及第二级d触发器为一路。
22、进一步地，pqc和所有d触发器位于spad阵列的其中两侧边上。
23、进一步地，spad阵列分为左右或者上下对称的两组时，两组小的spad阵列对称设置。
24、进一步地，两组小的spad阵列中间位置作为数据输出信号的通道。
25、本专利技术的主要贡献和创新点如下：1.与现有技术相比，本申请可在t0时刻由数字信号pix_lat锁定数据，t1时刻再由数字信号产生pix_rst（低电平复位）来复位第一级d触发器dff0，为下次测量做准备。由于数据早已被第二级dff1锁存，dff0的复位不会影响dff1记录的数据。整个信号转变的过程中，开窗时间完全由pix_rst信号决定。理论上仅需使得pix_rst信号的周期大于pqc_out的脉冲宽度即可。因此，所提出的spad的阵列能够实现在纳秒到亚微秒量级的时间窗口范围内可调，从而能适应广泛的应用场景。通过光子直接计数的方式获得能量信息，不需要后端复杂的专用信号处理信号，具有更高的能量分辨率。能适用更广泛的应用场景，例如物理实验，核医学诊疗等高速光子捕获。
26、2.与现有技术相比，本申请通过控制单个spad的使能信号，可以关闭因工艺偏差造成的高暗记数器件，实现更低的本底噪声，同时该器件更易扩展为更大规模的spad阵列，可实现更大的动态范围。
27、3.与现有技术相比，本申请由于加法器阵列adder array是全组合逻辑，响应时间很快，且加法器实现了2的n次比特数据信息到n比特数据信息的转换，同时也减少了spad阵列之间信号传递的数据带宽。
28、4.与现有技术相比，本申请将spad阵列的物理布局进行合理规划，可减少信号走线的交叉，也使得信号传递更加合理，该布局能适应更大尺寸的spad，从而能实现更大的动态范围和更高的信噪比。物理实现上的模块布局设计也保证了信号数据流的单向性和对称性，使得信号更匹配，更有利于构造大阵列的探测器。
29、本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
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1.基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，S10步骤中，所述数字电平信号PQC_OUT输入到所述第一级D触发器的时钟输入端。
3.如权利要求2所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，S20步骤中，所述记录信号PQC_OUT_MID输入到所述第二级D触发器的数据输入端。
4.如权利要求3所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，S20步骤中，所述数字信号PIX_LAT输入到所述第二级D触发器的时钟输入端。
5.基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器，应用于权利要求1-4任意一项所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，包括：
6.如权利要求5所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器，其特征在于，所述PQC和所有D触发器位于SPAD阵列的其中两侧边上。
7.如权利要求6所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器，其特
8.如权利要求6所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器，其特征在于，两组小的SPAD阵列中间位置作为数据输出信号的通道。
9.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至4任一项所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至7任一项所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法。
...【技术特征摘要】
1.基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，s10步骤中，所述数字电平信号pqc_out输入到所述第一级d触发器的时钟输入端。
3.如权利要求2所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，s20步骤中，所述记录信号pqc_out_mid输入到所述第二级d触发器的数据输入端。
4.如权利要求3所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，s20步骤中，所述数字信号pix_lat输入到所述第二级d触发器的时钟输入端。
5.基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器，应用于权利要求1-4任意一项所述的基于光子计数的开窗时间可调硅光电倍增器控制方法，其特征在于，包括：
6.如权利要求5所述的基于光子计数的开窗时间...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐家豪，刘丰，杨元洪，周正华，许鹤松，
申请(专利权)人：杭州宇称电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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