CN108375417A - 一种单光子检测设备 - Google Patents

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Abstract

一种单光子检测设备，包括分光系统、第一成像系统和第二成像系统，所述分光系统用于将样品发射出的光分为两路，一路通过所述第一成像系统形成图像，得到样品发光的时域信息，另一路通过所述第二成像系统成像，得到样品发光的空域信息，所述第一成像系统包括共聚焦单元和光强传感器，所述长波光通过所述共聚焦单元聚焦后到达所述光强传感器。在本发明的实施例中，由于第一成像系统包括共聚焦单元和光强传感器，长波光通过共聚焦单元聚焦后到达光强传感器形成图像，得到样品发光的时域信息，本发明无需变焦光纤耦合镜就可完成时域成像，降低了成本。

Description

一种单光子检测设备
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种单光子检测设备。
背景技术
随着科技发展，对微光探测的需求逐渐出现在各行各业，不再局限于传统的光学领域。例如：通信行业为了推广高带宽的光纤通讯，需要对1310nm和1550nm两个常用光纤通讯波长处的微弱光信号进行检测；自动化行业为了使用光传感器进行探测，需要对相应微弱光信号进行检测；生物医学行业为了使用人体透射窗口内波长的红外光进行体内病灶观测、监视，需要进行微弱光信号检测；安防行业为了方便夜间监控，需要进行红外波段的微弱光检测。
在半导体行业，经常使用红外微光探测对芯片进行失效分析等研究。在CMOS中，一种叫做热载流子发光的效应会在晶体管中导致光子发射。导电通道中的载流子在源极和漏极间电场作用下加速，到达通道边缘的夹断区后其能量通过声子协助转换成光子释放出来。发射光子的光谱分布由电子能量分布决定，后者被导电通道中各种因素影响，分布范围很广。发射光谱从可见光波段一直延伸到远红外波段，峰值大概在中红外的1.4um左右。由于电流集中或者电压突变的部位光子发射强度很强，这种现象已经被用于半导体失效的定位和研究中。在正常运行的芯片中，晶体管释放出的光子十分微弱，很难被仪器接收到。但是，这些光子的释放与晶体管的通断相关联，可以反映出芯片内部运行程序的信息，因此在加密芯片的侧信道攻击中被利用了起来。
现有的微光探测系统，可以对芯片内晶体管发光进行空域上(对大面积的区域进行拍照以定位感兴趣的探测点)，和时域上(对某个点的发光进行监测得到光强-时间曲线)的探测。其系统使用二向色镜进行分光，波长较短(<1um)的光照射到Si基CCD上进行长时间曝光成像，波长较长的光(>1um)从其他方向照射到InGaAs基APD(雪崩光电二极管)上进行光强-时间曲线采集。为了精确采集芯片上某些器件(如单个晶体管)的时域信号，需要对APD端的采集面积做限制。如采用可调焦距光纤耦合镜，通过调节耦合镜的焦距限制进入光纤的光线角度，达到屏蔽区域外入射光线的目的，将APD的信号采集限制在一个较小的区域，图1示出了现有的微光探测系统的结构，样品20发射出的光被显微物镜11收集，转换为平行光出射。在二向色镜12处被分为长波段和短波段，分界波长由二向色镜12决定，短波光通过第二成像镜13后在成像传感器14(如CCD)上形成图像，得到样品20发光的空域信息；长波光通过第一成像镜15会聚后经过变焦光纤耦合镜16进入光纤17，到达光强传感器18得到光强的时域信息。变焦光纤耦合镜通过调节焦距限制进入光纤的光线角度，从而限制采集区域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种单光子检测设备。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：
一种单光子检测设备，包括分光系统、第一成像系统和第二成像系统，所述分光系统用于将样品发射出的光分为两路，一路通过所述第一成像系统形成图像，得到样品发光的时域信息，另一路通过所述第二成像系统成像，得到样品发光的空域信息，其特征在于，所述第一成像系统包括共聚焦单元和光强传感器，所述长波光通过所述共聚焦单元聚焦后到达所述光强传感器。
所述分光系统用于将样品发射出的光分为长波光和短波光，所述长波光通过所述第一成像系统形成图像，所述短波光通过所述第二成像系统成像。
所述第一成像系统还包括定焦光纤耦合镜和光纤，所述定焦光纤耦合镜和所述光强传感器通过所述光纤连接，所述长波光先通过所述共聚焦单元聚焦，再通过所述定焦光纤耦合镜进入光纤后到达所述光强传感器。
所述第一成像系统还包括汇聚透镜，所述长波光先通过所述共聚焦单元聚焦，再通过所述汇聚透镜汇聚到所述光强传感器。
所述共聚焦单元包括第一成像镜和遮光板，所述遮光板设置在成像面上，且所述遮光板上设有通孔，所述长波光通过所述第一成像镜会聚后通过所述通孔。
所述通孔边缘锐利。
所述分光系统包括显微物镜和二向色镜，样品发射出的光被所述显微物镜收集并转换为平行光出射，在所述二向色镜处被分为长波光和短波光。
所述第二成像系统包括第二成像镜和图像传感器，所述短波光通过所述第二成像镜会聚后在所述图像传感器上形成图像。
所述图像传感器包括电耦合元件。
所述分光系统包括显微物镜和反射镜，样品发射出的光被所述显微物镜收集并转换为平行光出射，在通过所述反射镜分光。
由于采用了以上技术方案，使本发明具备的有益效果在于：
⑴在本发明的实施例中，由于第一成像系统包括共聚焦单元和光强传感器，长波光通过共聚焦单元聚焦后到达光强传感器形成图像，得到样品发光的时域信息，本发明无需变焦光纤耦合镜就可完成时域成像，降低了成本。
⑵在本发明的实施例中，共聚焦单元包括第一成像镜和遮光板，第一成像系统还包括定焦光纤耦合镜和光纤，在成像镜后的成像面上放置一个带通孔的遮光板，形成共聚焦系统，只有穿过通孔的光可以通过后续光学系统到达光强传感器被采集到，利用通孔限制采集区域可以更精确屏蔽掉无用信号，通过调整通孔的大小、位置可以改变光强传感器采集区域的大小、位置，从而使采集更精准，并可随时更换通孔改变采集面积大小。
附图说明
图1为现有的单光子检测设备的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的功能模块示意图；
图3为本发明实施例一的结构示意图；
图4为本发明实施例二的结构示意图；
图5为本发明实施例三的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明公开内容更清楚透彻的理解。
然而，本领域的技术人员可能会意识到其中的一个或多个的具体细节描述可以被省略，或者还可以采用其他的方法、组件或材料。在一些例子中，一些实施方式并没有描述或没有详细的描述。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。
此外，本文中记载的技术特征、技术方案还可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。对于本领域的技术人员来说，易于理解与本文提供的实施例有关的方法的步骤或操作顺序还可以改变。因此，附图和实施例中的任何顺序仅仅用于说明用途，并不暗示要求按照一定的顺序，除非明确说明要求按照某一顺序。
实施例一：
如图2、图3所示，本发明的单光子检测设备，其一种实施方式，包括分光系统300、第一成像系统100和第二成像系统200。分光系统100用于将样品400发射出的光分为两路，一路通过第一成像系统100形成图像，得到样品400发光的时域信息，另一路通过第二成像系统200成像，得到样品400发光的空域信息。在一种实施方式中，分光系统可以用于将样品400发射出的光分为长波光和短波光，长波光通过第一成像系统100形成图像，得到样品400发光的时域信息，短波光通过第二成像系统200成像，得到样品400发光的空域信息。在另一种实施方式中，分光系统300可以包括显微物镜和反射镜，样品400发射出的光被显微物镜收集并转换为平行光出射，再通过反射镜分为二路。
第一成像系统100可以包括共聚焦单元110和光强传感器120，长波光通过共聚焦单元110聚焦后到达光强传感器120。
共聚焦单元110可以包括第一成像镜111和遮光板112，遮光板112上设有通孔113。通孔112的大小和显微镜的放大倍率、需要采集的面积相关。一般要求采集面积10um级别，放大倍率一般50X左右，通孔在毫米以下量级。通孔113为一小孔，通孔113可以是圆孔、方孔、椭圆形孔或是其它形状的孔，可以具体情况进行设定。长波光通过第一成像镜111会聚后再通过遮光板112上的通孔113进行聚焦。在一种实施方式中，通孔112的边缘锐利。边缘锐利的通孔112可以更好得屏蔽掉区域外信号。利用通孔112限制采集区域可以更精确屏蔽掉无用信号。变焦光纤耦合镜在边缘处无法完全屏蔽掉无用的光线，采集区域临近范围的光线会进入光路被光强传感器捕捉到。此外，利用通孔112更容易取得更小的采集区域。变焦光纤耦合镜受到内部镜片口径的限制，无法得到非常小的采集区域。利用通孔112无此限制，配合高放大倍数的显微物镜可以非常容易得到微米级的采集区域。通孔112的范围对应样品400上某固定区域，可以通过图像传感器测定。通过调整通孔的大小、位置可以改变光强传感器采集区域的大小、位置，从而使采集更精准，并可随时更换通孔改变采集面积大小。
本发明核心在于使用共聚焦方案替代原方案中的变焦光纤耦合镜。在一种实施方式中，可在成像镜后的成像面上放置一个带通孔的遮光板，形成共聚焦系统。只有通孔内透过的光可以通过后续光学系统到达光强传感器被采集到。
本发明的分光系统300可以包括显微物镜310和二向色镜320，样品400发射出的光被显微物镜310收集并转换为平行光出射，在二向色镜320处被分为长波光和短波光，其中，长波光进入第一成像系统100，短波光进入第二成像系统200。
本发明的第二成像系统200，可以包括第二成像镜210和图像传感器220，短波光通过第二成像镜210会聚后在图像传感器220上形成图像。在一种实施方式中，图像传感器220可以包括电耦合元件。
实施例二：
如图2、图4所示，本发明的单光子检测设备，其一种实施方式，包括分光系统300、第一成像系统100和第二成像系统200。分光系统100用于将样品400发射出的光分为两路，一路通过第一成像系统100形成图像，得到样品400发光的时域信息，另一路通过第二成像系统200成像，得到样品400发光的空域信息。在一种实施方式中，分光系统可以用于将样品400发射出的光分为长波光和短波光，长波光通过第一成像系统100形成图像，得到样品400发光的时域信息，短波光通过第二成像系统200成像，得到样品400发光的空域信息。在另一种实施方式中，分光系统300可以包括显微物镜和反射镜，样品400发射出的光被显微物镜收集并转换为平行光出射，再通过反射镜分为二路。
第一成像系统100可以包括共聚焦单元110、定焦光纤耦合镜130、光纤140和光强传感器120。定焦光纤耦合镜130和光强传感器120通过光纤140连接，长波光先通过共聚焦单元110聚焦，再通过定焦光纤耦合镜130进入光纤140后到达光强传感器120，以得到样品发光的时域信息。
共聚焦单元110可以包括第一成像镜111和遮光板112，遮光板112上设有通孔113。通孔112的大小和显微镜的放大倍率、需要采集的面积相关。一般要求采集面积10um级别，放大倍率一般50X左右，通孔在毫米以下量级。通孔113为一小孔，通孔113可以是圆孔、方孔、椭圆形孔或是其它形状的孔，可以具体情况进行设定。长波光通过第一成像镜111会聚后再通过遮光板112上的通孔113进行聚焦。在一种实施方式中，通孔112的边缘锐利。边缘锐利的通孔112可以更好得屏蔽掉区域外信号。利用通孔112限制采集区域可以更精确屏蔽掉无用信号。变焦光纤耦合镜在边缘处无法完全屏蔽掉无用的光线，采集区域临近范围的光线会进入光路被光强传感器捕捉到。此外，利用通孔112更容易取得更小的采集区域。变焦光纤耦合镜受到内部镜片口径的限制，无法得到非常小的采集区域。利用通孔112无此限制，配合高放大倍数的显微物镜可以非常容易得到微米级的采集区域。通孔112的范围对应样品400上某固定区域，可以通过图像传感器测定。通过调整通孔的大小、位置可以改变光强传感器采集区域的大小、位置，从而使采集更精准，并可随时更换通孔改变采集面积大小。
本发明的分光系统300可以包括显微物镜310和二向色镜320，样品400发射出的光被显微物镜310收集并转换为平行光出射，在二向色镜320处被分为长波光和短波光，其中，长波光进入第一成像系统100，短波光进入第二成像系统200。
本发明的第二成像系统200，可以包括第二成像镜210和图像传感器220，短波光通过第二成像镜210会聚后在图像传感器220上形成图像。在一种实施方式中，图像传感器220可以包括电耦合元件。
实施例三：
如图2、图5所示，本发明的单光子检测设备，其一种实施方式，包括分光系统300、第一成像系统100和第二成像系统200。在一种实施方式中，分光系统可以用于将样品400发射出的光分为长波光和短波光，长波光通过第一成像系统100形成图像，得到样品400发光的时域信息，短波光通过第二成像系统200成像，得到样品400发光的空域信息。在另一种实施方式中，分光系统300可以包括显微物镜和反射镜，样品400发射出的光被显微物镜收集并转换为平行光出射，再通过反射镜分为二路。
第一成像系统100可以包括共聚焦单元110、汇聚透镜150和光强传感器120。长波光先通过共聚焦单元110聚焦，再通过汇聚透镜150汇聚到光强传感器120，以得到样品发光的时域信息。
共聚焦单元110可以包括第一成像镜111和遮光板112，遮光板112上设有通孔113。通孔112的大小和显微镜的放大倍率、需要采集的面积相关。一般要求采集面积10um级别，放大倍率一般50X左右，通孔在毫米以下量级。通孔113为一小孔，通孔113可以是圆孔、方孔、椭圆形孔或是其它形状的孔，可以具体情况进行设定。长波光通过第一成像镜111会聚后再通过遮光板112上的通孔113进行聚焦。在一种实施方式中，通孔112的边缘锐利。边缘锐利的通孔112可以更好得屏蔽掉区域外信号。利用通孔112限制采集区域可以更精确屏蔽掉无用信号。变焦光纤耦合镜在边缘处无法完全屏蔽掉无用的光线，采集区域临近范围的光线会进入光路被光强传感器捕捉到。此外，利用通孔112更容易取得更小的采集区域。变焦光纤耦合镜受到内部镜片口径的限制，无法得到非常小的采集区域。利用通孔112无此限制，配合高放大倍数的显微物镜可以非常容易得到微米级的采集区域。通孔112的范围对应样品400上某固定区域，可以通过图像传感器测定。通过调整通孔的大小、位置可以改变光强传感器采集区域的大小、位置，从而使采集更精准，并可随时更换通孔改变采集面积大小。
本发明的分光系统300可以包括显微物镜310和二向色镜320，样品400发射出的光被显微物镜310收集并转换为平行光出射，在二向色镜320处被分为长波光和短波光，其中，长波光进入第一成像系统100，短波光进入第二成像系统200。
本发明的第二成像系统200，可以包括第二成像镜210和图像传感器220，短波光通过第二成像镜210会聚后在图像传感器220上形成图像。在一种实施方式中，图像传感器220可以包括电耦合元件。
以上内容是结合具体的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换。

Claims (10)

1.一种单光子检测设备，包括分光系统、第一成像系统和第二成像系统，所述分光系统用于将样品发射出的光分为两路，一路通过所述第一成像系统形成图像，得到样品发光的时域信息，另一路通过所述第二成像系统成像，得到样品发光的空域信息，其特征在于，所述第一成像系统包括共聚焦单元和光强传感器，所述长波光通过所述共聚焦单元聚焦后到达所述光强传感器。
2.如权利要求1所述的单光子检测设备，其特征在于，所述分光系统用于将样品发射出的光分为长波光和短波光，所述长波光通过所述第一成像系统形成图像，所述短波光通过所述第二成像系统成像。
3.如权利要求2所述的单光子检测设备，其特征在于，所述第一成像系统还包括定焦光纤耦合镜和光纤，所述定焦光纤耦合镜和所述光强传感器通过所述光纤连接，所述长波光先通过所述共聚焦单元聚焦，再通过所述定焦光纤耦合镜进入光纤后到达所述光强传感器。
4.如权利要求2所述的单光子检测设备，其特征在于，所述第一成像系统还包括汇聚透镜，所述长波光先通过所述共聚焦单元聚焦，再通过所述汇聚透镜汇聚到所述光强传感器。
5.如权利要求2至4中任一项所述的单光子检测设备，其特征在于，所述共聚焦单元包括第一成像镜和遮光板，所述遮光板设置在成像面上，且所述遮光板上设有通孔，所述长波光通过所述第一成像镜会聚后通过所述通孔。
6.如权利要求5所述的单光子检测设备，其特征在于，所述通孔边缘锐利。
7.如权利要求2至4中任一项所述的单光子检测设备，其特征在于，所述分光系统包括显微物镜和二向色镜，样品发射出的光被所述显微物镜收集并转换为平行光出射，在所述二向色镜处被分为长波光和短波光。
8.如权利要求2至4中任一项所述的单光子检测设备，其特征在于，所述第二成像系统包括第二成像镜和图像传感器，所述短波光通过所述第二成像镜会聚后在所述图像传感器上形成图像。
9.如权利要求8所述的单光子检测设备，其特征在于，所述图像传感器包括电耦合元件。
10.如权利要求1所述的单光子检测设备，其特征在于，所述分光系统包括显微物镜和反射镜，样品发射出的光被所述显微物镜收集并转换为平行光出射，再通过所述反射镜分光。
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