CN107806931A - 门控互补型光子计数系统 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
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。
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，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。
作为本发明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。
作为本发明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。
作为本发明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。
作为本发明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）本发明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
下面结合附图对本发明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，提高光子计数系统的探测率及精确度。本发明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。而且本发明所采用的互补采样探测模式，使用采样信号无效的时间将APD陷阱中的俘获的载流子泄放，因此不需要额外的Hold-off-time电路也能起到减弱了后脉冲效应的效果。本发明所采用的互补采样探测模式，当一个像素泄放陷阱俘获的载流子时，相邻的像素处于雪崩待测状态，相邻的两个像素等效成一个像素，在一定程度上可以实现连续探测，以达到较高的探测率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为，采用同频互补型的采样时钟信号，这里命名两个互补的检测单元分别为cell_ai和cell_bi，两个检测单元均包含APD探测器、主动淬灭电路、计数器。两个检测单元的工作方式是一样的，在采样信号有效时，当光子被探测到，触发APD雪崩产生感应信号。此后接口电路快速淬灭雪崩状态，使APD的反向偏压迅速降低至雪崩电压以下，其后APD保持OFF状态一段时间，即死区时间THOLD-OFF以延迟释放触发积累的剩余能量，消除后脉冲效应的影响。待下一次的采样信号上升沿到来之时，产生RESET复位APD至待检测状态。
所述的同频互补门控信号通过由与非门和非门组合而成的非重叠时钟电路产生，产生的门控时钟信号可以控制两条检测单元支路的交替通断。在检测阵列cell_a工作时，将检测阵列cell_b关断，让其中的APD“休眠”一段时间，以避免相邻APD的串扰产生误光子信号，同时可以将环境因素引起的累积能量释放，从而减少暗计数。在曝光时间内，将cell_ai和cell_bi看为一个新的检测单元，该检测单元具备门控模式和自由探测模式的优点，即较低的暗计数率，高的探测效率。
所述计数器为使用DFF触发器构成的异步计数器，其中DFF采用真单相钟控寄存器TSPC（True Single-Phase Clocked Register），使用单个时钟，具有版图面积小，运行速度快等优点，适合于光子计数系统的大阵列应用。异步计数器采取前级输出驱动后级时钟的级联方式，即Qb驱动后级Clk。因此最后一级DFF的时钟沿延迟最大，链路的延迟决定了电路的最小周期和最高工作频率。
所述时序控制模块是用采用经典两级同步电路，结合N位计数器产生，帧同步FRAME、字同步WORD以及位同步BIT三个同步信号，用于对串行输出数据进行识别。便于结合数据输出信号DATA_OUT，可以从示波器中观察出明显的波形数据，大幅地提高数据的可读性。
一种采用新型工作模式的光子计数系统框图如图1，其包括时钟电路模块、主动淬灭检测电路模块、寄存器模块和FPGA处理模块。其中：所述时钟电路模块产生同频互补的门控信号，控制两条支路的交替通断，促使后续主动淬灭电路对光子的交替感应计数，能够有效抑制后脉冲效应、暗计数和检测单元间串扰，提高光子计数的探测率和精确度。主动淬灭检测电路感应到光子到来产生雪崩电流，同时产生一个感应信号STOP。异步计数器对每一次雪崩事件进行计数，在EN低电平时，将计数器中的数据存入寄存器中，再在下一个EN高电平时，将并行数据串行输出，再经过FPGA处理。
所述非重叠时钟电路如图2所示，由与非门和非门构成。当D点为0时，A点状态为1，假设B点此刻的状态为1，则C点状态变为1，然后B点状态变为0。保证在点A/D状态变化时，两个输出信号为同频互补的时钟信号，且产生的时钟信号，如图3所示。产生的非重叠时钟信号作为采样信号，控制两条支路交替工作，避免APD因长时间处于雪崩状态由环境因素所引起的暗计数对计数系统探测率造成的不利影响。
为避免在门控信号打开关闭的过程中，由于IN点电位变化引起的误计数，需要相应的在AQC电路中做一定的改动。如图4所示，传输IN点信号的第一级非门使用时钟控制通断，当门控信号打开时候，SPAD处于待检测状态，第一级非门打开，传递IN点状态；当门控信号关闭的时候，SAPD处于焠灭状态，同时为减小门控信号翻转时，IN点变化带来的误计数。门控信号要先关闭第一级非门，关断数据传输后，再打开M3进行焠灭。
所述时序控制模块是用采用经典两级同步电路，结合N位计数器产生，帧同步FRAME、字同步WORD以及位同步BIT三个同步信号，用于对串行输出数据进行识别，其输出波形如图5所示。便于结合数据输出信号DATA_OUT，可以从示波器中观察出明显的波形数据，大幅地提高数据的可读性。
本发明所应用的n-bit寄存器，其输入信号D1至Dn分别与n-bit计数器的输出相连接。计数器在EN上升时被复位归零，并在EN高电平期间内对雪崩事件进行计数，在EN低电平期间保持当前的计数值。在相邻的两个检测单元之间，后一个检测单元的Datain接前一个检测单元的DATAout，而第一个检测单元的Datain接地。在EN低电平期间，二选一开关选通0通道，通过END锁存信号将数据锁存进如图6所示的n-bit寄存器中。在下一帧EN高电平期间时，二选一开关选择1通道，DFF组通过CLK上升沿触发变成一个移位寄存器，将上一帧计数锁存的并行数据进行串行传输。
图7是系统时序控制图的波形，在EN高电平时，进行光子的检测计数，记录雪崩事件；当EN为低电平时，停止对光子的检测计数，同时将所得的计数值进行数据的存储；在EN上升沿时对计数器清零复位。当在阵列式光子计数的应用中，在EN再次变为高电平时，将寄存器中的数据传输出去。在单检测单元的光子计数系统中，在EN有效期间内，门控信号控制APD的有效工作时间，在门控信号为高时，此支路的APD处于工作状态，感应光子的到来并且产生雪崩电流，另一条支路处于“休息”状态，让APD休眠一段时间，以避免暗计数、后脉冲效应和和检测单元间串扰带来的影响。在门控信号控制主动淬灭检测单元处于有效工作状态时，如果有光子到来，会产生一个STOP信号用于计数，随后APD将会处于淬灭状态，STOP也会一直保持高电平，直到下一个有效工作状态。在门控信号上升沿之后，会产生一个RESET信号，将淬灭电路恢复至待检测状态，随后等待下一次的光子到来，重复进行此步骤。其中点线所表示的光子，是在一个门控范围内两个光子信号的间隔时间在一个死区时间范围内，以及在EN信号低电平范围内，无法感应计数，视作无效光子。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
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。
4.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，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。
5.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，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。
6.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，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。
7.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，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。
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