CN104568175A - 单光子阵列探测成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光子阵列探测成像装置，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列计数器；所述光子阵列探测器的每个通道均连接一个独立的处理电路，所述处理电路包括依次连接的光脉冲放大器、脉冲展宽电路、比较器。使用阵列光子计数的方式实现了光子级别的高速多点同时定位和成像探测，其计数分辨率可以达到1ns，可应用于粒子探测、量子雷达、极微弱光斑定位、与极微弱光相关的图像成像等。

Description

单光子阵列探测成像装置

技术领域

本发明涉及一种探测成像装置，特别涉及一种单光子阵列探测成像装置。

背景技术

在粒子跟踪、量子雷达、星体探测、辐射成像等领域，当被检测的光信号到达单光子级别，即显现离散的单个光子入射状态的时候，其成像会变的很不容易。

单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域发射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各国家光电子学界重点研究的课题之一。

单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10^-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子技术方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特定，采用冒充甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。

当今微弱光的二维成像方式，存在如下的问题：灵敏度不够，一是不能达到光子级别，比如通道积分法，当入射光达到单光子级别的时候，其输出信号几乎没有，或者误差很大，其只能对较强的连续光信号探测成像；二是，不能在单光子级别实现各个像素的同时采集，测量的各个像素点不是同时测量，而是采用分时获取，而后叠加到一起；三是，成像速度慢， 很多采集设备，采集速度或者计数分辨率是几十个纳秒或者微秒。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种单光子阵列探测成像装置，使用阵列光子计数的方式实现了光子级别的高速多点同时定位和成像探测，其计数分辨率可以达到1ns。其光电转换处理部分对每个通道的信号设定增益，使成像的失真变小；可以高速并且同时对所有通道（像素）同时进行测量和成像，并且每一个通道均可达到单光子级别。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种单光子阵列探测成像装置，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列计数器；所述光子阵列探测器的每个通道均连接一个独立的处理电路，所述处理电路包括依次连接的光脉冲放大器、脉冲展宽电路、比较器；所述光子阵列探测器，用于将光信号转换成电脉冲信号；所述光脉冲放大器，用于将光子阵列探测器输出的电脉冲信号进行放大；所述脉冲展宽电路，用于将放大后的电脉冲信号进行展宽；所述比较器，用于将比较器阈值以上的展宽后电脉冲信号转换成标准电平，并输出至阵列计数器进行计数；所述阵列阈值生成器分别与每个比较器连接，用于为每个比较器生成独立的阈值信号；所述整机控制及处理传输单元分别与每个光脉冲放大器连接，用于控制每个所述光脉冲放大器的放大倍数；所述整机控制及处理传输单元与阵列阈值生成器连接，用于控制所述阵列阈值生成器生成的每一路比较器阈值的大小；所述整机控制及处理传输单元与阵列计数器连接，用于控制计数器的计数时间、对计数器采集到的数据进行处理并输出结果。

作为本发明的进一步优化方案，还包括与整机控制及处理传输单元连接的高速实时传输接口，用于将整机控制及处理传输单元处理后的数据进行实时传输。

作为本发明的进一步优化方案，上述高速实时传输接口为cameralink或光纤。

作为本发明的进一步优化方案，还包括与整机控制及处理传输单元连接的以太网接口，用于操作者向整机控制及处理传输单元传输装置的参数并控制装置的工作状态。

作为本发明的进一步优化方案，所述光子阵列探测器为PSPMT 多阳极光电倍增管或APD阵列或MPPC。

作为本发明的进一步优化方案，所述光脉冲放大器为带宽固定而幅值可变的低噪声可变增益放大器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）本发明中通过整机控制及处理传输单元根据光子阵列探测器，来设定每个光脉冲放大器的增益，大大减小了成像的失真，还可以进行伪脉冲的鉴别，去除非正常的或者干扰脉冲；

2）本发明中同时对光子阵列探测器的所有通道进行高速测量和成像，并且每个通道均可达到单光子级别；

3）本发明使用阵列光子计数的方式实现了光子级别的高速多点同时定位和成像探测，其计数分辨率可以达到1ns，可应用于粒子探测、极微弱光斑定位、与极微弱光相关的图像成像等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是实时单光子级别的极微弱光的成像图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供一种单光子级别的极微弱光阵列探测成像装置，如图1所示，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列计数器；所述光子阵列探测器的每个通道均连接一个独立的处理电路，所述处理电路包括依次连接的光脉冲放大器、脉冲展宽电路、比较器；所述光子阵列探测器，用于将光信号转换成电脉冲信号；所述光脉冲放大器，用于将光子阵列探测器输出的电脉冲信号进行放大；所述脉冲展宽电路，用于将放大后的电脉冲信号进行展宽；所述比较器，用于将比较器阈值以上的展宽后电脉冲信号转换成标准电平，并输出至阵列计数器进行计数；所述阵列阈值生成器分别与每个比较器连接，用于为每个比较器生成独立的阈值信号；所述整机控制及处理传输单元分别与每个光脉冲放大器连接，用于控制每个所述光脉冲放大器的放大倍数；所述整机控制及处理传输单元与阵列阈值生成器连接，用于控制所述阵列阈值生成器生成的每一路比较器阈值的大小；所述整机控制及处理传输单元与阵列计数器连接，用于控制计数器的计数时间、对计数器采集到的数据进行处理并输出结果。

本发明的工作流程如下：

工作时，整机控制及处理传输单元向光脉冲放大器发出控制信号，控制每个光脉冲放大器的放大倍数；向阵列阈值生成器发出控制信号，控制阵列阈值生成器生成每一路比较器的阈值；向阵列计数器发出控制信号，控制阵列计数器的计数时间。

入射的光子信号打到光子阵列探测器产生电脉冲信号；光脉冲放大器按照设定的放大倍数，将光子阵列探测器输出的电脉冲信号进行放大；脉冲展宽电路将放大后的电脉冲信号进行展宽；比较器将接收到的展宽后的电脉冲信号与设定的阈值进行比较，将阈值以上的展宽后的电脉冲信号转换成标准电平，并输出至阵列计数器进行计数；阵列计数器将采集到的数据传输至整机控制及处理传输单元，整机控制及处理传输单元对阵列计数器采集到的数据进行处理。

本发明中，还包括与整机控制及处理传输单元连接的高速实时传输接口，整机控制及处理传输单元处理后的采集数据可以通过高速实时传输接口进行实时传输。一般来说，高速实时传输接口为cameralink或光纤等。还包括与整机控制及处理传输单元连接的以太网接口，操作者可以通过以太网接口向整机控制及处理传输单元传输装置的各项参数，同时还可以通过其控制装置的工作状态。

本发明中，光子阵列探测器是一种阵列化的光电转化器件，其灵敏度可以达到单光子级别，常用的是PSPMT 多阳极光电倍增管或APD阵列或MPPC，还可以采用单个的光子探测器进行阵列化组装。

本发明中的光脉冲放大器是一种定带宽而幅度可变的低噪声可变增益放大器，每个通道的放大倍数可独立的通过整机控制及处理传输单元设定，不论哪一个通道的放大器在哪一种放大增益下，其带宽都是一个定值，带宽一般为1GHz。带宽的恒定，保证了任何增益下的任何通道在相同的沿变时间脉冲的输入下，其输出脉冲的沿变时间相等，以此来保证后端脉冲展宽电路输出宽度的等比列性，即保证输出脉冲和输入脉冲的宽度比是一个定值。这种信号放大的处理方式，保证了后端阵列计数器根据脉冲宽度鉴别出伪脉冲的可靠性。

本发明中的阵列计数器还具有伪脉冲的鉴别能力，伪脉冲是非单光子信号的脉冲，也可能是一种干扰脉冲，有用的单光子信号脉冲是沿变时间和脉冲宽度在一定的范围内为一定值的脉冲信号，这由前端的光子阵列探测器的器件特性决定。阵列计数器在对比较器输出的标准电平脉冲信号计数之前，要对该信号进行是否是伪信号的鉴别，其鉴别方法为：对输入的信号进行脉冲宽度的测量，测量其是否在真实脉冲信号的脉冲宽度范围内，如果是就进行计数，否则舍弃。本发明中，阵列计数器可以由FPGA等来实现。

本发明的一种实施例，操作者由以太网向整机控制及处理传输单元传输传入装置的基本参数，包括：计数时间T、每个光脉冲放大器的增益大小、每个比较器的阈值大小，还包括真实脉冲信号的脉冲宽度范围即最小值Tmin和最大值Tmax，用于计数器鉴别伪信号。传输完成后，整机控制及处理传输单元按照此参数对相应的模块做出设置，并等待以太网传入开始指令后开始采集。

单光子进入光子阵列探测器转换成微弱的单光子电脉冲信号，经过光脉冲放大器放大成较大幅度的脉冲信号，其每一个的放大倍数已由整机控制及处理传输单元设定好，放大后的信号进入脉冲展宽电路进行展宽，展宽成与输入信号脉冲宽度成一定比例的脉冲后传输给后端的比较器，每个比较器的阈值大小已经由整机控制及处理传输单元设定好，凡是幅度在此阈值以上脉冲信号，均会转换成标准的电平信号，传输给阵列计数器。

在以太网传入开始指令后，阵列计数器开始对输入信号进行计数，在计数到设定的计数时间T后，所有阵列通道的计数值通过高速实时传输接口传出，在传出开始的同时，阵列计数器已经同时开始了下一次的计数。

通过高速实时传输接口传出的数据是一个实时单光子级别的极微弱光的成像图像，如图2所示，其X和Y轴分别对应光子阵列探测器中阵列的行和列，Z轴是其对应的通道在时间T内的计数结果，其中，光子阵列探测器的阵列为8*8，计数时间设定为100us。由图像可以明显看出，在时间T内，测量到有两个较亮点的入射，有近2000个光子。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1. 单光子阵列探测成像装置，其特征在于，包括光子阵列探测器、阵列阈值生成器、整机控制及处理传输单元、阵列计数器；

所述光子阵列探测器的每个通道均连接一个独立的处理电路，所述处理电路包括依次连接的光脉冲放大器、脉冲展宽电路、比较器；

所述光子阵列探测器，用于将光信号转换成电脉冲信号；

所述光脉冲放大器，用于将光子阵列探测器输出的电脉冲信号进行放大；

所述脉冲展宽电路，用于将放大后的电脉冲信号进行展宽；

所述比较器，用于将比较器阈值以上的展宽后电脉冲信号转换成标准电平，并输出至阵列计数器进行计数；

所述阵列阈值生成器分别与每个比较器连接，用于为每个比较器生成独立的阈值信号；

所述整机控制及处理传输单元分别与每个光脉冲放大器连接，用于控制每个所述光脉冲放大器的放大倍数；

所述整机控制及处理传输单元与阵列阈值生成器连接，用于控制所述阵列阈值生成器生成的每一路比较器阈值的大小；

所述整机控制及处理传输单元与阵列计数器连接，用于控制计数器的计数时间、对计数器采集到的数据进行处理并输出结果。

2. 根据权利要求1所述的单光子阵列探测成像装置，其特征在于，还包括与整机控制及处理传输单元连接的高速实时传输接口，用于将整机控制及处理传输单元处理后的数据进行实时传输。

3. 根据权利要求2所述的单光子阵列探测成像装置，其特征在于，所述高速实时传输接口为cameralink或光纤。

4. 根据权利要求1所述的单光子阵列探测成像装置，其特征在于，还包括与整机控制及处理传输单元连接的以太网接口，用于操作者向整机控制及处理传输单元传输装置的参数并控制装置的工作状态。

5. 根据权利要求1所述的单光子阵列探测成像装置，其特征在于，所述光子阵列探测器为PSPMT 多阳极光电倍增管或APD阵列或MPPC。

6. 根据权利要求1所述的单光子阵列探测成像装置，其特征在于，所述光脉冲放大器为带宽固定而幅值可变的低噪声可变增益放大器。