CN109238462B - 一种光子探测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请揭示了一种光子探测方法及装置。该方法主要包括：S1，调整单元调整探测单元的偏置电压以开启探测单元；S2，在探测单元探测到光子并发生雪崩倍增效应之后，淬灭单元控制探测单元中的电荷堆积以淬灭探测单元的雪崩倍增效应，并且控制探测单元中堆积后的电荷释放以恢复探测单元对光子的探测能力；S3，计数单元对探测单元在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号进行计数；S4，读取单元在第一预设时间内读取计数单元所记录的计数数据，并且同时调整单元调整探测单元的偏置电压以关闭探测单元；S5，重复S1‑S4，直到完成预设时钟周期内的光子探测。通过本申请公开的技术方案，可以提高光子探测的动态范围和光子探测灵敏度。

Description

一种光子探测方法及装置
技术领域
本申请涉及光电探测技术领域，特别涉及一种可应用于辐射探测、激光探测以及工业和医学断层成像等技术的光子探测方法及装置。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
低通量光子探测技术是一种可探测较低光通量密度(10-19～10-6W/mm2)的光信号的光子探测技术，其可应用于许多领域，例如，医学成像(特别是，正电子发射断层成像(PET))、国土安全、高能物理实验和其他成像的关键领域。在低通量光子探测技术中，光信号以在空间和时间维度上离散分布的光子(即，光能量的最小单元)的形式被光子探测装置探测。
单光子雪崩二极管(SPAD)是一种常用的低通量光子探测装置。图1示出了使用SPAD探测光子的方法，该方法可以包括以下步骤：C01，将SPAD的偏置电压设置为高于其击穿电压，此时可将其偏置电压记为VH；C02，利用设置后的SPAD来探测光子，其中，当SPAD探测到光子时，因雪崩倍增效应，SPAD的偏置电压会降低至其击穿电压并保持该数值，此时可将其偏置电压记为VL；如果SPAD未探测到光子，则不发生雪崩倍增效应，SPAD的偏置电压继续保持VH；C03，在时钟信号控制下，利用同步查询电路对SPAD的偏置电压进行查询，查询时保持SPAD的偏置电压不变，若查询结果为VL，则表示该时钟周期内SPAD探测到光子，若查询结果为VH，则表示该时钟周期内SPAD未探测到光子；C04，查询结束后，再次将SPAD偏置电压设置为VH，再次探测光子；C05，通过统计多个时钟周期的查询结果，计算单位时间内单光子信号的个数，可实现低通量光子信号强度的测量。
发明内容
在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
利用现有的光子探测方法探测光子时，每记录一个光子，必须对SPAD的偏置电压进行一次保持、查询以及保存或输出查询结果，这导致该方法的光子探测的计数率上限受到光子探测装置的时钟频率的限制，可探测的光信号强度的范围较小，即光子探测的动态范围较窄。另外，在查询SPAD的偏置电压期间，无法探测新的光子，形成较长的死时间，这造成光子信息损失，从而导致降低光子探测的灵敏度。
为了解决以上技术问题，本申请揭示了一种光子探测方法及装置，以解除时钟频率对光子计数率的限制，并缩短死时间，实现光子探测的计数率、动态范围和灵敏度的同时提高。
为了实现上述目的，本申请采用了如下技术方案：
一种光子探测方法，其包括：
步骤S1，调整单元调整探测单元的偏置电压以开启所述探测单元；
步骤S2，在所述探测单元探测到光子并发生雪崩倍增效应之后，淬灭单元控制所述探测单元中的电荷堆积以淬灭所述探测单元的雪崩倍增效应，并且控制所述探测单元中堆积后的电荷释放以恢复所述探测单元对光子的探测能力；
步骤S3，计数单元对所述探测单元在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号进行计数；
步骤S4，读取单元在第一预设时间内读取所述计数单元所记录的计数数据，并且同时所述调整单元调整所述探测单元的偏置电压以关闭所述探测单元。
步骤S5，重复所述步骤S1-S4，直到完成预设时钟周期内的光子探测。
优选地，所述步骤S2与所述步骤S3循环执行。
优选地，在所述步骤S3之后，所述光子探测方法还包括：
步骤S31，所述计数单元按照第一预定方式保存所述计数数据。
优选地，所述第一预定方式包括电性形式或磁性形式，其中，所述电性形式包括电压、电流或电荷，所述磁性形式包括磁场强度或磁通量。
优选地，在所述步骤S3之后，所述光子探测方法还包括：
S32，所述计数单元按照第二预定方式输出所记录的所述计数数据。
优选地，所述第二预定方式包括直接输出所述计数数据的方式或者以预设编码形式对所述计数数据编码后再输出所述计数数据的方式。
优选地，所述第二预定方式还包括预设周期的方式，所述预设周期包括所述计数单元被重置的周期或所述计数单元完成计数的周期。
优选地，所述第一预设时间为读取所述计数单元中的计数数据所需的最短时间和关闭所述探测单元所需的最短时间中的最大值。
优选地，所述光子探测方法还包括：
步骤S6，重置单元重置所述计数单元，以使所述计数单元恢复到其初始状态。
优选地，所述调整单元开启所述探测单元与所述重置单元重置所述计数单元在第二预设时间内同时进行，其中，所述第二预设时间为重置所述计数单元所需的最短时间和开启所述探测单元所需的最短时间中的最大值。
本申请还揭示了一种光子探测装置，该光子探测装置包括：
探测单元，其被配置为探测光子并产生与所述光子对应的电信号；
调整单元，其被配置为调整所述探测单元的偏置电压以开启或关闭所述探测单元；
淬灭单元，其被配置为在所述探测单元探测到光子并发生雪崩倍增效应之后，控制所述探测单元中的电荷堆积以淬灭所述探测单元的雪崩倍增效应，并且控制所述探测单元中堆积后的电荷释放以恢复所述探测单元对光子的探测能力；
计数单元，其被配置为对所述探测单元在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号进行计数；
读取单元，其被配置为在所述探测单元被关闭的同时读取所述计数单元所记录的计数数据。
优选地，所述光子探测装置还包括：
重置单元，其被配置为重置所述计数单元，以使所述计数单元恢复到其初始状态。
优选地，所述探测单元包括单光子雪崩二极管、光电倍增管、可见光光子计数器、混合光探测器和/或微通道板。
优选地，所述计数单元包括用于对所述探测单元产生的电信号进行计数的多位计数器。
优选地，所述多位计数器包括由多个触发器级联构成的异步二进制加计数器或同步二进制加计数器。
优选地，所述触发器通过金属氧化物半导体场效应管来实现，或者通过JK触发器、RS触发器、T触发器、D触发器的结合以及逻辑门电路来实现。
优选地，所述光子探测装置还包括甄别单元，所述甄别单元被配置为将所述探测单元产生的模拟形式的电信号转换为数字形式的电信号，并将转换后的电信号发送给所述计数单元。
优选地，所述调整单元、所述淬灭单元和/或所述读取单元集成于同一个模块、集成电路或芯片内。
本申请揭示的光子探测方法通过采用异步计数而非同步查询的方式进行光子探测，并且在调整探测单元的偏置电压以关闭探测单元的同时读取计数单元中的计数数据，这解除了时钟频率对光子计数率的限制，实现了提高光子探测的动态范围的目的。另外，调整探测单元的偏置电压以关闭探测单元的同时读取计数单元中的计数数据，这避免了先关闭探测单元再读取计数数据所造成的较长死时间，可以在保证进行计数、读取、重置功能的基础上，大幅减少光子探测的死时间，获取更多有用的光子信息，从而可以提高光子探测的灵敏度。另外，在读取计数单元中的计数数据的同时关闭探测单元，还可以降低光子探测功耗并且抑制探测单元所产生的电信号对光子计数准确率的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种光子探测方法的流程图；
图2为根据本申请实施例的一种光子探测方法的流程图；
图3为根据本申请实施例的一种光子探测装置的结构示意图；
图4为根据本申请实施例的另一种光子探测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于解释说明本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不希望限制本申请的范围或权利要求书。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置在”另一个元件上，它可以直接设置在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“连接/联接至”另一个元件，它可以是直接连接至另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或元件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或元件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。
下面结合附图对本申请实施例所描述的一种光子探测方法及装置进行详细说明。
如图2所示，本申请实施例揭示了一种光子探测方法。该光子探测方法可以包括以下步骤：
步骤S1，调整单元调整探测单元的偏置电压以开启探测单元。
在对光子进行探测之前，调整单元可以调整探测单元的偏置电压，使其偏置电压大于其击穿电压，从而开启探测单元，使得探测单元可以开始探测光子。
步骤S2，在探测单元探测到光子并发生雪崩倍增效应之后，淬灭单元控制探测单元中的电荷堆积以淬灭探测单元的雪崩倍增效应，并且控制探测单元中堆积后的电荷释放以恢复探测单元的探测能力。
在探测单元探测到光子时，探测单元因光电效应产生电子-空穴对；电子或空穴在电场作用下增加动能，电子或空穴与高电场区域中的原子作用，发生碰撞电离效应而产生次级电子-空穴对；次级电子-空穴对在电场作用下，继续发生碰撞电离而产生新的次级电子-空穴对；耗尽区中的电荷(含电子、空穴)数因碰撞电离效应成倍增加，形成雪崩倍增效应。
淬灭单元可以控制探测单元中的电子、空穴流出探测单元的速率，使得电荷在探测单元中堆积，形成与耗尽区中的原始电场方向相反的电场，耗尽区中的整体电场强度被持续减弱，直至达到整体电场不足以加速电子或空穴发生持续碰撞电离效应的电场强度，使得雪崩倍增效应被淬灭。而且，淬灭单元还可以控制释放在探测单元中堆积的电荷，使得由堆积的电荷形成的相反电场被减弱，耗尽区中的整体电场强度被持续增强，直至恢复至使电子与空穴均可持续发生碰撞电离的电场强度，从而恢复了探测单元的探测能力，探测单元可以再次探测光子。
步骤S3，计数单元对探测单元在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号进行计数。
在探测单元因探测到光子而在电荷堆积和释放的过程中产生电信号之后，计数单元可以对探测单元所产生的电信号的数量进行计数。计数单元可以从初始状态开始计数，并且每接收到一个电信号，计数单元可以在之前记录的计数数据的基础上继续进行计数，例如，可以对之前记录的计数数据进行加法或减法运算，直到达到其计数上限或被重置。
需要说明的是，步骤S2与S3可以循环执行，以实现连续探测光子并进行计数。
步骤S4，读取单元读取计数单元所记录的计数数据，并且同时调整单元调整探测单元的偏置电压以关闭探测单元。
在计数单元记录探测单元所产生的电信号之后，读取单元可以在第一预设时间内读取计数单元中的计数数据，并且同时调整单元可以根据预先设置的或接收的指令来调整探测单元的偏置电压以使其小于击穿电压，从而关闭探测单元，使得探测单元无法继续探测光子，以减小功耗，并抑制探测单元所产生的噪声。
其中，第一预设时间可以为读取计数单元中的计数数据所需的最短时间和关闭探测单元所需的最短时间中的最大值，例如，50ns。
步骤S5，重复上述步骤S1-S4，直到完成预设时钟周期内的光子探测。
在读取单元读取计数单元中所记录的计数数据之后，可以重复上述步骤S1-S4，直到完成预设时钟周期内的光子探测。所述预设时钟周期可以是根据实际探测需求来设定的，其可以包括一个或多个时钟周期。
通过多次重复执行步骤S1-S4，可以探测出更多的光子，并且可以实现持续探测。
在本申请的另一实施例中，在步骤S3之后，该光子探测方法还可以包括：
S31，在对探测单元产生的电信号进行计数之后，计数单元按照第一预定方式来保存计数数据。
在计数单元记录探测单元所产生的电信号之后，其可以按照第一预定方式来保存计数数据。所述第一预定方式可以包括电压、电流或电荷等电性形式，或者可以包括磁场强度或磁通量等磁性形式。
在本申请的另一实施例中，在步骤S3之后，该光子探测方法还可以包括：
S32，计数单元按照第二预定方式来输出所记录的计数数据。
在计数单元记录探测单元所产生的电信号之后，其也可以按照第二预定方式来输出计数数据。所述第二预定方式可以包括直接输出计数数据的方式或者以预设编码形式对计数数据编码后再输出计数数据的方式，还可以包括预设周期的方式，所述预设周期包括所述计数单元被重置的周期或所述计数单元完成计数的周期。
在本申请的另一实施例中，该光子探测方法还可以包括：
步骤S6，重置单元重置计数单元，以使计数单元恢复到其初始状态。
在读取单元读取计数数据之后或者在计数单元开始计数之前，重置单元可以根据预先设置的或从外部接收的指令来重置计数单元，以使计数单元恢复到其初始状态。
需要说明的是，当该步骤在步骤S4之后执行时，其可以与循环后的步骤S1(即，第一次执行步骤S1之后再次执行时的步骤S1)在第二预设时间内同时进行；当该步骤在步骤S3之前执行时，其都可以与循环前的步骤S1(第一次执行时的步骤S1)或循环后的步骤S1在第二预设时间内同时进行。其中，所述第二预设时间为重置计数单元所需的最短时间和开启探测单元所需的最短时间中的最大值，例如，50ns。
关于对上述步骤的详细描述，可以参照下面对光子探测装置中的探测单元、调整单元、淬灭单元、计数单元和读取单元等的详细描述。
需要说明的是，上述依次循环或重复仅代表各步骤的逻辑顺序，而并不代表该光子探测方法的周期性。
通过上述描述可知，本申请揭示的光子探测方法通过采用异步计数而非同步查询的方式进行光子探测，并且在调整探测单元的偏置电压以关闭探测单元的同时读取计数单元中的计数数据，这解除了时钟频率对光子计数率的限制，实现了提高光子探测的动态范围的目的。另外，调整探测单元的偏置电压以关闭探测单元的同时读取计数单元中的计数数据，这避免了先关闭探测单元再读取计数数据所造成的较长死时间，可以在保证进行计数、读取、重置功能的基础上，大幅减少光子探测的死时间，获取更多有用的光子信息，从而可以提高光子探测的灵敏度。另外，在读取计数单元中的计数数据的同时关闭探测单元，还可以降低光子探测功耗、抑制探测单元产生的噪声以及其所产生的电信号对光子计数准确率的影响。
本申请实施例还提供了一种光子探测装置，如图3所示，该光子探测装置可以应用于辐射探测设备、激光探测设备以及医学成像设备(例如，正电子发射断层成像(PET)设备)等，但不限于此。所述光子探测装置可以包括：
探测单元201，其可以被配置为探测光子并产生与光子对应的电信号；
调整单元202，其可以被配置为调整探测单元201的偏置电压以开启或关闭探测单元202；
淬灭单元203，其可以被配置为在探测单元201探测到光子并发生雪崩倍增效应之后控制探测单元201中的电荷堆积以淬灭探测单元201的雪崩倍增效应，并且控制探测单元201中堆积后的电荷释放以恢复探测单元201对光子的探测能力；
计数单元204，其可以被配置为对探测单元201在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号进行计数；
读取单元205，其可以被配置为在探测单元201被关闭的同时读取计数单元204所记录的计数数据。
探测单元201可以被配置为探测来自外部的光子，在探测到光子时产生对应的电信号。具体地，在探测到光子时，探测单元201因光电效应产生电子-空穴对；电子或空穴在电场作用下增加动能，电子或空穴与高电场区域中的原子作用，发生碰撞电离效应而产生次级电子-空穴对；次级电子-空穴对在电场作用下，继续发生碰撞电离而产生新的次级电子-空穴对；耗尽区中的电荷(含电子、空穴)数因碰撞电离效应成倍增加，形成雪崩倍增效应，并且在淬灭单元203的控制下产生电信号。探测单元201还可以将所产生的电信号发送给计数单元204。所述电信号可以包括电脉冲信号、连续电信号等，但不限于此。
作为本实施例的一个示例而非限制，探测单元201可以为具有倍增效应的探测器件，例如，单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，以下简称SPAD)、光电倍增管(Photomultiplier，以下简称PMT)、硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，以下简称SiPM)、可见光光子计数器、混合光探测器和/或微通道板等。
调整单元202可以是金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，以下简称MOS)管、传输门等。其可以将探测单元201的偏置电压调整为高于其击穿电压以开启探测单元201，使得探测单元201能够工作在盖革模式，并且能够正常探测光子并产生对应的电信号。调整单元202还可以将探测单元201的偏置电压调整为小于其击穿电压以关闭探测单元201，使得探测单元201无法探测光子。
淬灭单元203可以是主动或被动淬灭电路(例如，淬灭电阻、晶体管及其组合电路)等，其可以控制探测单元201中的电子、空穴流出探测单元201的速率，使得电荷在探测单元201中堆积，形成与耗尽区中的原始电场方向相反的电场，耗尽区中的整体电场强度被持续减弱，直至达到整体电场不足以加速电子或空穴发生持续碰撞电离效应的电场强度，使得雪崩倍增效应被淬灭。而且，淬灭单元203还可以控制释放在探测单元中堆积的电荷，使得由堆积的电荷形成的相反电场被减弱，耗尽区中的整体电场强度被持续增强，直至恢复至使电子与空穴均可持续发生碰撞电离的电场强度，从而恢复探测单元201的探测能力，探测单元201可以再次探测光子。在电荷堆积和释放的过程中，探测单元201可以产生电信号，并且可以将电信号发送给计数单元。
计数单元204可以被配置为接收探测单元201在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号并对所接收的电信号进行计数，并且其还可以被配置为保存和/或输出计数数据。具体地，当接收到来自探测单元201的电信号时，计数单元204可以按照预设方式来进行累积计数，直到达到其计数上限或被重置，并且计数单元204可以在进行计数的同时保存计数数据，也还可以输出所记录或所保存的计数数据。
所述累积计数可以是指在之前记录的计数数据的基础上继续进行计数。所述预设方式可以是加法运算或减法运算等方式，也可以是其它运算方式，在此不作任何限定。例如，当计数单元204接收到来自探测单元201的一个电信号时，其可以通过对之前记录的计数数据进行加法运算来进行计数。例如，将之前记录的计数数据加1、2或其它固定数值，或者以二进制或十进制逐个增加。当计数单元204未接收到来自探测单元201的电信号时，其可以保存之前记录的计数数据。需要说明的是，所述之前记录的计数数据可以是指计数单元204从初始状态到第一次重置前这期间针对来自探测单元201的电信号所记录的计数数据，也可以是指计数单元204在第N次重置后到在第N+1次重置前这期间针对来自探测单元201的电信号所记录的计数数据，其中，N为正整数。如果计数单元204未接收到来自探测单元201的任何电信号，则所述之前记录的计数数据可以是指计数单元204的初始状态。计数单元204的初始状态可以用预设数值来表示，例如，0、1或其它数值。
在对电信号进行计数之后，计数单元204可以按照第一预定方式来保存计数数据。所述第一预定方式可以包括电压、电流或电荷等电性形式，也可以包括磁场强度或磁通量等磁性形式。
另外，计数单元204还可以按照第二预定方式来输出计数数据。所述第二预定方式可以包括直接输出的方式或预设编码的形式对所述计数数据编码后再输出的方式，所述第二预定方式也还可以包括按照预设周期输出的方式。例如，计数单元204可以直接输出计数数据，也可以在以二进制码、二-十进制(BCD)码、循环码等编码形式对计数数据进行编码后再输出计数数据，从而便于后续数据处理。所述预设周期可以包括计数单元204被重置的周期或计数单元204完成计数的周期。例如，计数单元204可以在每次被重置后输出计数数据，也可以在完成所有数据的计数后再输出计数数据，以便于满足不同的应用需求。需要说明的是，在按照直接输出的方式或编码后再输出的方式输出计数数据时，也可以按照预设周期的方式来输出数据。
所述计数数据可以与计数单元从最开始的初始状态到第一次被重置前从探测单元201接收的电信号的个数对应，也可以与计数单元每一次被重置后从探测单元201接收的电信号的个数对应。需要说明的是，所述计数单元被重置后返回到其初始状态。
计数单元204进行计数的时间可以是来自探测单元201的电信号的时间长度乘以计数单元的计数上限，或者也可以根据电信号的时间长度和重置单元的重置时间来确定。
在具体实现方式中，计数单元204可以包括多位计数器。所述多位计数器可以用于对探测单元201所产生的电信号进行计数，其可以是多位异步计数器或多位同步计数器，例如，4位异步计数器或8位同步计数器。所述多位异步计数器可以包括异步二进制加计数器、异步二进制减计数器、异步二-十进制加计数器或异步二-十进制减计数器等，但不限于此。所述多位同步计数器可以包括同步二进制加计数器、同步二进制减计数器、同步二-十进制加计数器或同步二-十进制减计数器等，但不限于此。当所述多位计数器不具备存储功能时，计数单元204还可以包括存储器，所述存储器可以用于存储多位计数器所记录的计数数据。所述存储器可以与所述多位计数器集成于一体，也可以分开设置。
作为本实施例的一个示例而非限制，所述多位计数器可以是由多个触发器级联构成的异步二进制加计数器或同步二进制加计数器。异步二进制加计数器可以是由多个T’触发器级联构成。在所述异步二进制加计数器中，低位T’触发器的输出端与高位T’触发器的输入端连接。所述T’触发器的特征在于：每接收到一个信号边沿(例如，上升沿)，触发器输出的电压电平立即被翻转。进一步示例性地，T’触发器可以通过MOS管直接配置来实现，或者可以通过JK触发器、RS触发器、T触发器、D触发器等其他触发器相结合以及逻辑门电路来实现。
需要说明的是，对于多位计数器可以是由多个T’触发器级联构成的异步二进制加计数器的情况，对计数单元204进行重置可以是指设定所有T’触发器的电压电平为同一指定电平，例如，全部为低电平或全部为高电平。而且，来自探测单元201的电信号可以被输入至异步二进制计数器中最低位T’触发器的输入端。
作为本实施例的另一个示例而非限制，同步二进制加计数器可以是由多个T触发器级联构成的所述T触发器的特征在于：当T触发器的使能端有效时，T触发器输出的电压电平状态随时钟输入信号的指定边沿(例如，上升沿)翻转；当T触发器的使能端无效时，T触发器输出的电压电平状态不翻转。各级T触发器的使能端相结合以配置为同步二进制加计数器的使能端，各级T触发器共用同一时钟信号输入。例如，同步二进制加计数器为由4位T触发器构成的4位同步二进制加计数器。在所述4位同步二进制加计数器中，所有T触发器的时钟输入端连接至需要计数的电信号的输入端，第一位T触发器的输入端T0连接至使能信号端CE，第二位T触发器的输入端T1连接至使能信号端CE与第一位T触发器的输出端Q0的“与”逻辑信号端，第三位T触发器的输入端T2连接至使能信号端CE与第一位T触发器的输出端Q0、第二位T触发器的输出端Q1的“与”逻辑信号端，第四位T触发器的输入端T3连接至使能信号端CE与第一位T触发器的输出端Q0、第二位T触发器的输出端Q1、第三位T触发器的输出端Q2的“与”逻辑信号端。通过这四位T触发器的输出端Q3Q2Q1Q0输出的数据构成了计数数据的二进制编码。对于T触发器的实现方式可以参照上面对T’触发器的描述，在此不再赘叙。
需要说明的是，对于计数单元204可以包括由多个T触发器级联构成的同步二进制加计数器的情况，来自探测单元201的电信号被输入至同步二进制加计数器的使能端。当时钟信号处于上升沿时，电信号有效，与同步二进制加计数器的电压电平状态对应的计数加一。
需要说明的是，本申请中对T触发器和T’触发器的数量并不作任何限定，其可以根据实际需求来确定即可。
读取单元205可以被配置为在探测单元201被关闭的同时读取计数单元204所记录的计数数据。读取单元205可以在第一预设时间内读取计数单元204中的计数数据，所述第一预设时间可以为读取计数单元204中的计数数据所需的最短时间和关闭探测单元201所需的最短时间中的最大值
调整单元202、淬灭单元203和/或读取单元205可以集成于同一个模块、集成电路或芯片等内，例如，集成于微控制单元(MCU)内，也可以分开设置。
在本申请的至少一实施例中，该光子探测装置还可以包括重置单元206，其可以被配置为在读取单元205读取计数数据之后重置计数单元204，以使计数单元204恢复到其初始状态。该重置单元也可以与调整单元202、淬灭单元203和/或读取单元205集成于同一个模块、集成电路或芯片等内。
需要说明的是，重置计数单元204可以与开启探测单元201同时进行，以减少光子探测装置的死时间。
在本申请的至少一实施例中，该光子探测装置还可以包括甄别单元(图中未示出)，其可以用于将探测单元201输出的模拟形式的电信号(即，模拟信号)转换为数字形式的电信号(即，数字信号)，并将转换后的数字信号发送给计数单元204。在具体实施方式中，甄别单元可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器，以稳定、高效、低成本地实现。
在本申请的至少一实施例中，该光子探测装置还可以包括输入端口和输出端口(图中未示出)。通过输入端口，可以输入时钟驱动信号，以驱动上述各个单元；通过输出端口，可以输出计数单元204所记录的计数数据。需要说明的是，输入端口和输出端口可以集成在一起，也可以分开设置；输入端口也可以和上述各个单元集成在一起以作为上述各个单元的输入端，也可以独立于上述各个单元设置；输出端口也可以和计数单元204集成在一起以作为计数单元204的输出端；也可以独立于计数单元204设置。
在本申请的实施例中，光子探测装置所包含的各单元均可以通过互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺来实现。
通过上述描述可以看出，本申请描述的光子探测装置由于采用了淬灭单元来控制探测单元中的电荷堆积和释放，可以使得探测单元在探测到光子之后继续进行探测，由于采用了多位计数器并且进行异步计数，所以可以持续记录光子，而不需要等待重置后才能再次记录，而且在读取计数单元中的计数数据的同时关闭探测单元，以及在重置计数单元的同时开启探测单元，即对探测单元产生的电脉冲信号进行计数，而非以较高频率周期性地查询信号的幅值，这解除了时钟频率对光子探测装置的计数率的限制，这实现了提高光子探测动态范围的目的。而且，根据计数单元所输出或读取单元所读取的计数数据，可以准确地得知探测单元所探测到的光子数。另外，通过采用多位计数器，可以增加该光子探测装置探测光子达到饱和所需要的时间。此外，在读取计数单元中的计数数据的同时关闭探测单元，并且在重置计数单元的同时开启探测单元，这可以在保证光子探测装置的计数、读取、重置功能的基础上，减少光子探测装置的死时间(即，因记录到光子而等待重置的时间)，从而提高了光子探测装置的光子探测的灵敏度以及探测结果的准确性。另外，读取计数数据的同时关闭探测单元，这可以降低光子探测装置的功耗并且抑制探测单元产生噪声。
本申请实施例还描述了另一种光子探测装置，如图4所示。其中，该光子探测装置可以包括探测单元10、淬灭单元20、甄别单元30、调整单元40、计数单元50、重置控制端口51、读取控制端口52以及输出端口53。其中，重置控制端口51和读取控制端口52对应于图2中的重置单元和读取单元。
探测单元10可以是SPAD，SPAD的阴极可以连接至偏置电压(Vdda)端(图中未示出，偏置电压Vdda>击穿电压Vbd)，其阳极可以连接至淬灭单元20的一端和甄别单元30的一端。当读取控制端口52有效(例如，读取控制信号全部为低电平或高电平)时，SPAD的两端电压差低于其击穿电压，这时其对单光子不响应；当读取控制端口52无效时，SPAD的两端电压差高于其击穿电压，这时其工作于盖革模式，从而响应于探测到的单光子而产生电信号。
淬灭单元20可以是高阻值多晶硅电阻，以稳定、高效、低成本地实现，其一端连接至SPAD的阳极，其另一端接地。
甄别单元30可以是CMOS反相器，以稳定、高效、低成本地实现，其输入端可以连接至SPAD的阳极，其输出端可以连接至计数单元50的输入端。
调整单元40可以是PMOS晶体管，以稳定、高效低成本地实现，PMOS晶体管的漏源极的一端可以连接至数字电路偏置电压(Vddd)端(其中，Vdda-Vddd≤Vbd)，其漏源极的另一端可以连接至SPAD的阳极，PMOS晶体管的栅极可以连接至读取控制端口52。
计数单元50可以是4位异步二进制加计数器，优选地，其可以包含4个带重置端口的T’触发器以及4个对应于每一个T’触发器的CMOS传输门。所有T’触发器的重置端口可以与重置控制端口51连接，所有CMOS传输门的使能控制端口可以连接至读取控制端口52，所有CMOS传输门的数据输入端口可以连接至对应T’触发器的数据输出端口，所有CMOS传输门的数据输出端口可以连接至输出端口53。当重置控制端口51有效(例如，重置控制信号全部为低电平或高电平)时，4位异步二进制加计数器中的所有T’触发器中的电压电平状态均设置为低电平或高电平。当读取控制端口52有效时，可以从输出端口53读取T’触发器中的电压电平状态。根据所读取的电压电平状态可以判断探测单元所探测到的光子数。上述实施例阐明的装置或单元，具体可以由半导体芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个半导体芯片中实现。
需要说明的是，虽然本申请提供了如上述实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法中可以包括更多或者更少的操作步骤。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤中，这些步骤的执行顺序不限于本申请实施例提供的执行顺序。
上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本发明而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种光子探测方法，其特征在于，所述光子探测方法包括以下步骤：
步骤S1，调整单元调整探测单元的偏置电压以开启所述探测单元；
步骤S2，在所述探测单元探测到光子并发生雪崩倍增效应之后，淬灭单元控制所述探测单元中的电荷堆积以淬灭所述探测单元的雪崩倍增效应，并且控制所述探测单元中堆积后的电荷释放以恢复所述探测单元对光子的探测能力；
步骤S3，计数单元对所述探测单元在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号进行计数；
步骤S4，读取单元在第一预设时间内读取所述计数单元所记录的计数数据，并且同时所述调整单元调整所述探测单元的偏置电压以关闭所述探测单元；
步骤S5，重复所述步骤S1-S4，直到完成预设时钟周期内的光子探测。
2.根据权利要求1所述的光子探测方法，其特征在于，在执行所述步骤S4之前，循环执行所述步骤S2与所述步骤S3。
3.根据权利要求1所述的光子探测方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，所述光子探测方法还包括：
步骤S31，所述计数单元按照第一预定方式保存所述计数数据。
4.根据权利要求3所述的光子探测方法，其特征在于，所述第一预定方式包括电性形式或磁性形式，其中，所述电性形式包括电压、电流或电荷，所述磁性形式包括磁场强度或磁通量。
5.根据权利要求1所述的光子探测方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，所述光子探测方法还包括：
S32，所述计数单元按照第二预定方式输出所记录的所述计数数据。
6.根据权利要求5所述的光子探测方法，其特征在于，所述第二预定方式包括直接输出所述计数数据的方式或者以预设编码形式对所述计数数据编码后再输出所述计数数据的方式。
7.根据权利要求5所述的光子探测方法，其特征在于，所述第二预定方式还包括预设周期的方式，所述预设周期包括所述计数单元被重置的周期或所述计数单元完成计数的周期。
8.根据权利要求1所述的光子探测方法，其特征在于，所述第一预设时间为读取所述计数单元中的计数数据所需的最短时间和关闭所述探测单元所需的最短时间中的最大值。
9.根据权利要求1所述的光子探测方法，其特征在于，所述光子探测方法还包括：
步骤S6，重置单元重置所述计数单元，以使所述计数单元恢复到其初始状态。
10.根据权利要求9所述的光子探测方法，其特征在于，所述调整单元开启所述探测单元与所述重置单元重置所述计数单元在第二预设时间内同时进行，其中，所述第二预设时间为重置所述计数单元所需的最短时间和开启所述探测单元所需的最短时间中的最大值。
11.一种光子探测装置，其特征在于，所述光子探测装置包括：
探测单元，其被配置为探测光子并产生与所述光子对应的电信号；
调整单元，其被配置为调整所述探测单元的偏置电压以开启或关闭所述探测单元；
淬灭单元，其被配置为在所述探测单元探测到光子并发生雪崩倍增效应之后，控制所述探测单元中的电荷堆积以淬灭所述探测单元的雪崩倍增效应，并且控制所述探测单元中堆积后的电荷释放以恢复所述探测单元对光子的探测能力；
计数单元，其被配置为对所述探测单元在电荷堆积和释放的过程中产生的电信号进行计数；
读取单元，其被配置为在所述探测单元被关闭的同时读取所述计数单元所记录的计数数据。
12.根据权利要求11所述的光子探测装置，其特征在于，所述光子探测装置还包括：
重置单元，其被配置为重置所述计数单元，以使所述计数单元恢复到其初始状态。
13.根据权利要求11所述的光子探测装置，其特征在于，所述探测单元包括单光子雪崩二极管、光电倍增管、可见光光子计数器、混合光探测器和/或微通道板。
14.根据权利要求11所述的光子探测装置，其特征在于，所述计数单元包括用于对所述探测单元产生的电信号进行计数的多位计数器。
15.根据权利要求14所述的光子探测装置，其特征在于，所述多位计数器包括由多个触发器级联构成的异步二进制加计数器或同步二进制加计数器。
16.根据权利要求15所述的光子探测装置，其特征在于，所述触发器通过金属氧化物半导体场效应管来实现，或者通过JK触发器、RS触发器、T触发器、D触发器的结合以及逻辑门电路来实现。
17.根据权利要求11所述的光子探测装置，其特征在于，所述光子探测装置还包括甄别单元，所述甄别单元被配置为将所述探测单元产生的模拟形式的电信号转换为数字形式的电信号，并将转换后的电信号发送给所述计数单元。
18.根据权利要求11所述的光子探测装置，其特征在于，所述调整单元、所述淬灭单元和/或所述读取单元集成于同一个模块、集成电路或芯片内。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110109148B (zh) * 2019-04-09 2021-02-09 北京遥测技术研究所 一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法
CN110057457B (zh) * 2019-05-15 2020-04-07 南京邮电大学 单光子3d激光雷达探测器的光子事件并发检测电路及方法
CN114185057B (zh) * 2021-11-10 2024-05-17 华为技术有限公司 一种探测方法、装置和终端

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103207024A (zh) * 2013-02-27 2013-07-17 南京邮电大学 一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法
CN103780852A (zh) * 2014-02-17 2014-05-07 苏州超锐微电子有限公司 一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路
CN107271036A (zh) * 2017-06-19 2017-10-20 中国科学技术大学 高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统
CN108051609A (zh) * 2017-12-07 2018-05-18 南京大学 一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置及方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160060505A (ko) * 2014-11-20 2016-05-30 삼성전자주식회사 광계수 검출 장치 및 방법, 방사선 촬영 장치
US10126167B2 (en) * 2016-01-20 2018-11-13 Brookhaven Science Associates, Llc Photon counter with pile-up rejection

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103207024A (zh) * 2013-02-27 2013-07-17 南京邮电大学 一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法
CN103780852A (zh) * 2014-02-17 2014-05-07 苏州超锐微电子有限公司 一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路
CN107271036A (zh) * 2017-06-19 2017-10-20 中国科学技术大学 高速淬灭及恢复的自由运行单光子探测系统
CN108051609A (zh) * 2017-12-07 2018-05-18 南京大学 一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置及方法

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