CN111121986A - 一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统 - Google Patents
一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111121986A CN111121986A CN201911356404.3A CN201911356404A CN111121986A CN 111121986 A CN111121986 A CN 111121986A CN 201911356404 A CN201911356404 A CN 201911356404A CN 111121986 A CN111121986 A CN 111121986A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pulse
- port
- output
- circuit
- single photon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000012937 correction Methods 0.000 title claims abstract description 93
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 38
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 claims description 4
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 2
- 238000001161 time-correlated single photon counting Methods 0.000 claims description 2
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000036278 prepulse Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明提供的是一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统。其特征是：它由偏置电压产生电路1、单光子雪崩光电二极管2、被动淬灭读出电路3、后脉冲校正电路4和单光子计数器5组成，其中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32组成，后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46组成。本发明可用于消除后脉冲效应对单光子探测器系统的影响，可广泛用于激光雷达测距，荧光寿命探测，医学成像等极微弱光探测的领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统，本发明可用于激光雷达测距，荧光寿命探测，医学成像等极微弱光探测的领域，属于单光子探测技术领域。
(二)背景技术
单光子雪崩光电二极管(SPAD)是基于内光电效应制成的光电器件。当其外加反偏电压大于雪崩击穿电压时，单个光子入射到单光子雪崩光电二极管会引起雪崩似的电流倍增，此时单光子雪崩光电二极管工作盖革模式(也叫单光子模式)。该模式下单光子光电二极管的内部增益很高，可以达到106以上。由于有着极大的增益，单光子雪崩光电二极管的灵敏度远高于普通的光电二极管，被广泛应用在量子保密通信、激光雷达测距、荧光寿命探测和医学成像等极微弱光探测领域。
单光子雪崩光电二极管工作在单光子探测模式，当雪崩事件发生时，倍增区材料中的任何陷阱都会成为载流子的捕获中心，当大量的电荷流过SPAD时，一些载流子被这些陷阱捕获。当雪崩被抑制后，这些陷阱开始释放载流子，如果受到电场加速，它们会再次触发雪崩，产生和前一次雪崩脉冲相关的后脉冲。
SPAD中载流子的陷阱寿命τ的表达式为：
其中Ea为陷阱的激活能，T是温度，k是波尔兹曼常数，C由相关的有效态密度、陷阱的横截面和温度决定。另外，被陷阱俘获的载流子释放概率相对于时间t呈指数关系。由于SPAD中陷阱的类型取决于实际制造工艺，所以SPAD中存在各种寿命不同的陷阱。因此，SPAD工作在单光子探测模式的时间窗口t内的后脉冲概率包含不同的指数成分，后脉冲概率表达式为：
其中i代表不同的陷阱类型，Ai是雪崩事件期间陷阱被填充的可能性，通常情况下N的取值小于等于5。此外，SPAD的增益的表达式为：
M(V)＝1/[1-(V/VB)n] (3)
其中VB是SPAD的雪崩击穿电压，V是SPAD工作电压，参数n与SPAD的电阻率相关。从上述理论公式中可以看出SPAD中陷阱寿命由环境温度T、陷阱的类型、陷阱的激活能和陷阱的横截面等多个因素决定。此外，由于SPAD的增益与其工作电压成正相关，SPAD的增益会随着的电压的增大而增大，后脉冲的发生概率也会随着电压的增大而增大。后脉冲受到多个因素的影响，而且根据后脉冲的触发机制可知一个入射光子产生的雪崩脉冲可能产生一个或多个次级后脉冲,可见SPAD的后脉冲效应比较复杂。高的后脉冲率会降低单光子探测系统的信噪比，降低探测敏感度，阻碍了需要精度测量的应用。因此，单光子探测系统中后脉冲率需要被尽可能的降低。通常SPAD中的陷阱寿命τ的范围可以达到10纳秒到几个微秒，通过进行相关实验得到被陷阱俘获的载流子再释放所用时间(陷阱寿命τ)相较于正常SPAD输出光生脉冲之间的时间间隔要窄。因此本发明根据以上理论分析和实验结果提出利用正常光生脉冲之间的时间间隔与具有后脉冲效应的光生脉冲和后脉冲之间的时间间隔的差异性来实现后脉冲的降低。
为了校正单光子探测器输出的后脉冲，来降低系统后脉冲率，提高系统信噪比。王双等于2017年公开了“一种雪崩信号甄别方法和装置、红外单光子探测器”(中国专利：CN201710141765.0)，该发明应用于正弦门控的单光子探测器。通过预设脉冲宽度阈值，判断滤波后的雪崩信号的宽度是否小于或等于脉冲宽度阈值，将小于或等于脉冲宽度阈值的信号保留，大于脉冲宽度阈值的信号剔除，实现了后脉冲的降低。曾和平等于2017年公开了“降低近红外单光子探测器后脉冲概率的方法”(中国专利：CN106840419A)，通过频谱分析的方式，得到幅度较大的门脉冲信号，来降低后脉冲效应。梁崇智等于2014年公开了“双极性偏压的SPAD单光子探测系统”(中国专利：CN201210480763.1)，他们通过采用双极性门脉冲配合双极性直流偏压来激励雪崩光电二极管，来降低后脉冲。上述发明中存在以下缺陷和不足：1、上述后脉冲校正方法只能用于工作在门控模式下的单光子雪崩光电二极管，对于信号光子到达时间未知的应用领域，如光强度探测，激光雷达测距等，容易造成有效光子计数的丢失，增加系统的探测误差；2、直接将具有后脉冲效应的光子计数剔除，只能数据收集结束后进行处理，降低了单光子探测系统的探测效率和校正的实时性。
为了解决上述问题，本发明公开了一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统。可用于激光雷达测距，荧光寿命探测，医学成像等极微弱光探测的领域。该系统利用被动淬灭读出电路将单光子雪崩光电二极管输出的雪崩事件电脉冲输出转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号，并通过后脉冲校正电路对被动淬灭读出电路的输出进行后脉冲校正，可实现单光子探测器中后脉冲效应实时高效精确的消除。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统。可以用于激光雷达测距，荧光寿命探测，医学成像等极微弱光探测的领域。
单光子探测器后脉冲校正装置由偏置电压产生电路1、单光子雪崩光电二极管2、被动淬灭读出电路3、后脉冲校正电路4和单光子计数器5组成，其中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32组成，后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46组成。
本发明是这样实现的：偏置电压产生电路1产生高电压为单光子雪崩光电二极管2提供运行所需的反向偏置电压。单光子雪崩光电二极管2的输出包括光子激发和后脉冲效应引起的雪崩事件电脉冲，经过被动淬灭读出电路3转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)信号输出到后脉冲校正电路4。后脉冲校正电路4对被动淬灭电路3的输出TTL信号进行后脉冲校正，最后利用单光子计数器5对后脉冲校正电路4的输出进行光子计数处理。
所述系统中偏置电压产生电路1的作用是实现电压转换，将输入的电压转换为单光子雪崩光电二极管2运行时所需要的直流电压并输出。偏置电压产生模块1可以是直流-直流转换电路或者是交流-直流转换电路，具体的电路结构由输入电压的类型和大小决定。偏置电压产生模块1的输入可以是220V家用交流电、台式直流电源的输出电压或电池输出电压。偏置电压产生电路1输出的直流电压确保了单光子雪崩光电二极管2稳定地运行在单光子模式。
所述系统中单光子雪崩光电二极管2可以是基于硅(Silicon)、锗(Germanium)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)材质的单光子雪崩光电二极管的任何一种。具体可以根据使用要求选择最佳特性参数的单光子雪崩光电二极管。
所述系统中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32构成。第一电阻31连接单光子雪崩光电二极管2的阳极，使得单光子雪崩光电二极管2在发生雪崩后其偏置电压下降，达到淬灭的作用。第一电阻31和单光子雪崩光电二极管2的结电容以及电路的分布电容决定了探测器的恢复时间，根据实际使用选择合适阻值的第一电阻31。第一电压比较器32同相输入端连接单光子雪崩光电二极管2的阳极，反向输入端接入参考电压Vref，实现单光子雪崩光电二极管2阳极输出的雪崩事件电脉冲到标准晶体管-晶体管逻辑电平信号的转换。
所述系统中脉冲校正控制及产生电路41可以是基于数字逻辑电路、微控制器、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)中的任何一种。该电路有三个输入端口分别为Input端口、A1端口、A2端口，两个输出端口分别为B端口和Output端口。Input端口无上升沿信号输入时，B端口和Output端口输出低电平，有上升沿信号输入时，B端口和Output端口输出高电平。A1端口输入下降沿信号，B端口输出低电平，A2端口输入下降沿信号，Output端口输出低电平。
所述系统中后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46构成。其中脉冲校正控制及产生电路41的Input端口连接第一电压比较器31的输出。N型场效应晶体管42的栅极(G端口)连接脉冲校正控制及产生电路41的B端口，漏极(D端口)连接T1端口，源极(S端口)接地。第二电压比较器43的同相输入端口连接T1端口，反向输入端口接入参考电压VrefL，输出连接脉冲校正控制及产生电路41的A1端口。第三电压比较器44的同相输入端口接入参考电压VrefH，反向输入端口连接T1端口，输出连接脉冲校正控制及产生电路41的A2端口。第二电阻45一端连接Vcc，另一端连接T1端口。电容56一端连接T1端口，另一端接地。被动淬灭电路3中的第一电压比较器32输出的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号作为后脉冲校正电路4的输入信号。当输入信号中无上升沿信号时，T1端口的电压为Vcc，脉冲校正控制及产生电路41的B端口和Output端口输出低电平。当输入信号中有上升沿信号时，上升沿信号触发脉冲校正控制及产生电路41的B端口和Output端口输出高电平。B端口输出的高电平使得N型场效应晶体管42开启，电容46迅速放电，引起T1端口电压下降。当T1端口的电压降低到VrefL(VrefL＜Vcc)，第二电压比较器43的输出由高电平变为低电平(下降沿)。第二电压比较器43输出的下降沿触发脉冲校正控制及产生电路41的B端口输出低电平，使得N型场效应晶体管42关闭，电容46通过第二电阻45充电，T1端口电压上升。当T1端口电压上升到VrefH(VrefL＜VrefH＜Vcc)，第三电压比较器44的输出由高电平变为低电平(下降沿)。第三电压比较器44输出的下降沿触发脉冲校正控制及产生电路41的Output端口输出低电平。后脉冲校正电路4输入信号中的一个上升沿信号经过上述过程触发产生一个脉冲宽度为tw的电压脉冲信号，该脉冲信号经脉冲校正控制及产生电路41的Output端口输出。tw取决于电容56放电和充电时间，tw＝k·R·C(R为第二电阻45，C为电容46，k为常数与VrefL、VrefH有关)的脉冲电压信号。若tw内有新的上升沿(第二上升沿)，与前上升沿(第一上升沿)间隔为ta，后脉冲校正电路4会被第二上升沿再次触发，经过上述过程电容46再次放电充电，输出脉冲的宽度会增加tw，最终输出脉冲的宽度为ta+tw。具有后脉冲效应的光生脉冲一般伴随一到多个后脉冲，这些脉冲相互之间的时间间隔tap相较于正常光生脉冲之间的时间间隔tlp要窄。通过设置后脉冲校正电路4输出校正脉冲的宽度tw，使得tap＜tw＜tlp。这样正常光生脉冲经过后脉冲校正电路4会产生一个tw宽度的校正脉冲，光生脉冲+n个后脉冲经过后脉冲校正电路4会产生一个tlp+t1+t2+……+tn-1+tw(tlp为光生脉冲上升沿与第1后脉冲上升沿之间的时间间隔，t1为第1后脉冲上升沿与第2后脉冲上升沿之间的时间间隔，t2为第2后脉冲上升沿与第3后脉冲上升沿之间的时间间隔，……，tn-1为第n-1后脉冲上升沿与第n后脉冲上升沿之间的时间间隔。)宽度的校正脉冲，通过上述过程后脉冲得到校正。
所述系统中单光子计数器5可以是针对光强探测的光子计数器或者是针对时间相关单光子探测(如激光雷达测距、荧光寿命探测等)的时间相关单光子计数器(TCSPC)。
(四)附图说明
图1是具有后脉冲校正功能的单光子探测系统示意图。它由偏置电压产生电路1、单光子雪崩光电二极管2、被动淬灭读出电路3、后脉冲校正电路4和单光子计数器5组成，其中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32组成，后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46组成。
图2是具有后脉冲校正功能的单光子探测系统中脉冲校正控制及产生电路41的Input端口、A1端口、A2端口、B端口和Output端口的输出示意图。
图3是具有后脉冲校正功能的单光子探测系统实施例示意图。它由偏置电压产生电路1、单光子雪崩光电二极管2、被动淬灭读出电路3、后脉冲校正电路4和单光子计数器5组成，其中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32组成，后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46组成。
图4是实施例中被动淬灭读出电路3中第一电压比较器32在不同参考电压下产生不同脉冲宽度的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号示意图。
图5是实施例中单光子雪崩光电二极管2的输出，第一电压比较器32的输出和后脉冲校正电路4的输出示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图3给出单光子探测器后脉冲校正装置的实施例。该装置是由偏置电压产生电路1、单光子雪崩光电二极管2、被动淬灭读出电路3、后脉冲校正电路4和单光子计数器5组成，其中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32组成，后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46组成。偏压电压产生电路1产生的高电压高于单光子雪崩光电二极管2的击穿电压，单光子雪崩光电二极管2工作在盖革模式(单光子模式)具有很高的增益。当光信号入射到单光子雪崩光电二极管2的表面，单光子雪崩光电二极管2进行光电转换输出雪崩事件电脉冲，雪崩事件电脉冲经过被动淬灭读出电路3转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)信号输出到后脉冲校正电路4。之后后脉冲校正电路4对被动淬灭读出电路3的输出进行后脉冲校正处理，并通过单光子计数器5对后脉冲校正电路4输出的校正脉冲进行计数处理。
如图4实施例中可以通过调节第一电压比较器32的参考电压Vref来实现对TTL电平脉冲信号脉冲宽度的调整，将TTL电平脉冲信号的脉冲宽度调整为合适的大小，来作为后脉冲校正电路4的输入。
实施例中后脉冲校正电路4输出的校正脉冲宽度tw＝k·R·C(R为第二电阻45，C为电容46，k为常数与VrefL、VrefH有关)，通过设置VrefL和VrefH选用合适的第二电阻45和电容46来调整tw的大小。如图5所示，ta、tb、tc为正常光生脉冲与前脉冲之间的时间间隔，t1、t2、t3为后脉冲与前脉冲之间的时间间隔，将tw设置为大于t1、t2、t3且小于ta、tb、tc可以实现对后脉冲的校正。从图5看出正常的光生脉冲被校正为tw宽度的脉冲，具有后脉冲效应的光生脉冲和其后跟随的n个后脉冲被校正为一个脉冲宽度大于tw的脉冲。
Claims (7)
1.一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统。其特征是：它由偏置电压产生电路1、单光子雪崩光电二极管2、被动淬灭读出电路3、后脉冲校正电路4和单光子计数器5组成，其中被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32组成，后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46组成。所述系统中偏置电压产生电路1产生高电压为单光子雪崩光电二极管2提供运行所需的反向偏置电压。单光子雪崩光电二极管2的输出包括光子激发和后脉冲效应引起的雪崩事件电脉冲，经过被动淬灭读出电路3转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)信号输出到后脉冲校正电路4。后脉冲校正电路4对被动淬灭电路3的输出TTL信号进行后脉冲校正，最后利用单光子计数器5对后脉冲校正电路4的输出进行光子计数处理。
2.根据权利要求1所述的偏置电压产生电路1。其特征是：偏置电压产生电路1的作用是实现电压转换，将输入的电压转换为单光子雪崩光电二极管2运行时所需要的直流电压并输出。偏置电压产生模块1可以是直流-直流转换电路或者是交流-直流转换电路，具体的电路结构由输入电压的类型和大小决定。偏置电压产生模块1的输入可以是220V家用交流电、台式直流电源的输出电压或电池输出电压。偏置电压产生电路1输出的直流电压确保了单光子雪崩光电二极管2稳定地运行在单光子模式。
3.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管2。其特征是：单光子雪崩光电二极管2可以是基于硅(Silicon)、锗(Germanium)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)材质的单光子雪崩光电二极管的任何一种。具体可以根据使用要求选择最佳特性参数的单光子雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1所述的被动淬灭读出电路3。其特征是：被动淬灭读出电路3由第一电阻31和第一电压比较器32构成。第一电阻31连接单光子雪崩光电二极管2的阳极，使得单光子雪崩光电二极管2在发生雪崩后其偏置电压下降，达到淬灭的作用。第一电阻31和单光子雪崩光电二极管2的结电容以及电路的分布电容决定了探测器的恢复时间，根据实际使用选择合适阻值的第一电阻31。第一电压比较器32同相输入端连接单光子雪崩光电二极管2的阳极，反向输入端接入参考电压Vref，实现单光子雪崩光电二极管2阳极输出的雪崩事件电脉冲到标准晶体管-晶体管逻辑电平信号的转换。
5.根据权利要求1所述的脉冲校正控制及产生电路41。其特征是：脉冲校正控制及产生电路41可以是基于数字逻辑电路、微控制器、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)中的任何一种。该电路有三个输入端口分别为Input端口、A1端口、A2端口，两个输出端口分别为B端口和Output端口。Input端口无上升沿信号输入时，B端口和Output端口输出低电平，有上升沿信号输入时，B端口和Output端口输出高电平。A1端口输入下降沿信号，B端口输出低电平，A2端口输入下降沿信号，Output端口输出低电平。
6.根据权利要求1所述的后脉冲校正电路4。其特征是：后脉冲校正电路4由脉冲校正控制及产生电路41、N型场效应晶体管42、第二电压比较器43、第三电压比较器44、第二电阻45和电容46构成。其中脉冲校正控制及产生电路41的Input端口连接第一电压比较器31的输出。N型场效应晶体管42的栅极(G端口)连接脉冲校正控制及产生电路41的B端口，漏极(D端口)连接T1端口，源极(S端口)接地。第二电压比较器43的同相输入端口连接T1端口，反向输入端口接入参考电压VrefL，输出连接脉冲校正控制及产生电路41的A1端口。第三电压比较器44的同相输入端口接入参考电压VrefH，反向输入端口连接T1端口，输出连接脉冲校正控制及产生电路41的A2端口。第二电阻45一端连接Vcc，另一端连接T1端口。电容56一端连接T1端口，另一端接地。被动淬灭电路3中的第一电压比较器32输出的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号作为后脉冲校正电路4的输入信号。当输入信号中无上升沿信号时，T1端口的电压为Vcc，脉冲校正控制及产生电路41的B端口和Output端口输出低电平。当输入信号中有上升沿信号时，上升沿信号触发脉冲校正控制及产生电路41的B端口和Output端口输出高电平。B端口输出的高电平使得N型场效应晶体管42开启，电容46迅速放电，引起T1端口电压下降。当T1端口的电压降低到VrefL(VrefL＜Vcc)，第二电压比较器43的输出由高电平变为低电平(下降沿)。第二电压比较器43输出的下降沿触发脉冲校正控制及产生电路41的B端口输出低电平，使得N型场效应晶体管42关闭，电容46通过第二电阻45充电，T1端口电压上升。当T1端口电压上升到VrefH(VrefL＜VrefH＜Vcc)，第三电压比较器44的输出由高电平变为低电平(下降沿)。第三电压比较器44输出的下降沿触发脉冲校正控制及产生电路41的Output端口输出低电平。后脉冲校正电路4输入信号中的一个上升沿信号经过上述过程触发产生一个脉冲宽度为tw的电压脉冲信号，该脉冲信号经脉冲校正控制及产生电路41的Output端口输出。tw取决于电容56放电和充电时间，tw＝k·R·C(R为第二电阻45，C为电容46，k为常数与VrefL、VrefH有关)的脉冲电压信号。若tw内有新的上升沿(第二上升沿)，与前上升沿(第一上升沿)间隔为ta，后脉冲校正电路4会被第二上升沿再次触发，经过上述过程电容46再次放电充电，输出脉冲的宽度会增加tw，最终输出脉冲的宽度为ta+tw。具有后脉冲效应的光生脉冲一般伴随一到多个后脉冲，这些脉冲相互之间的时间间隔tap相较于正常光生脉冲之间的时间间隔tlp要窄。通过设置后脉冲校正电路4输出校正脉冲的宽度tw，使得tap＜tw＜tlp。这样正常光生脉冲经过后脉冲校正电路4会产生一个tw宽度的校正脉冲，光生脉冲+n个后脉冲经过后脉冲校正电路4会产生一个Tlp+T1+T2+……+Tn-1+tw(Tlp为光生脉冲上升沿与第1后脉冲上升沿之间的时间间隔，T1为第1后脉冲上升沿与第2后脉冲上升沿之间的时间间隔，T2为第2后脉冲上升沿与第3后脉冲上升沿之间的时间间隔，……，Tn-1为第n-1后脉冲上升沿与第n后脉冲上升沿之间的时间间隔。)宽度的校正脉冲，通过上述过程后脉冲得到校正。
7.根据权利要求1所述的单光子计数器5。其特征是：单光子计数器5可以是针对光强探测的光子计数器或者是针对时间相关单光子探测(如激光雷达测距、荧光寿命探测等)的时间相关单光子计数器(TCSPC)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911356404.3A CN111121986B (zh) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911356404.3A CN111121986B (zh) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111121986A true CN111121986A (zh) | 2020-05-08 |
| CN111121986B CN111121986B (zh) | 2021-06-29 |
Family
ID=70502148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911356404.3A Active CN111121986B (zh) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111121986B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111679290A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-09-18 | 上海禾赛光电科技有限公司 | 光子计数校正方法、激光雷达以及计算机可读介质 |
| CN112504482A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-16 | 桂林电子科技大学 | 在线后脉冲概率测量系统 |
| WO2021251057A1 (ja) * | 2020-06-12 | 2021-12-16 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 光検出回路および測距装置 |
| CN115047482A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-09-13 | 中国科学院近代物理研究所 | 一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测系统 |
| WO2023231315A1 (zh) * | 2022-05-30 | 2023-12-07 | 神盾股份有限公司 | 光学感测装置及其感测方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102004003A (zh) * | 2010-09-27 | 2011-04-06 | 南通墨禾量子科技发展有限公司 | 光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器 |
| CN102735351A (zh) * | 2012-06-27 | 2012-10-17 | 华南师范大学 | 一种单光子探测器电路及其探测方法 |
| CN103148950A (zh) * | 2013-03-15 | 2013-06-12 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 一种集成门控主动式淬火恢复电路 |
| US20150364635A1 (en) * | 2013-01-31 | 2015-12-17 | Malvern Instruments Limited | Single photon counting |
| CN105698826A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-22 | 天津大学 | 一种应用于盖革模式apd探测器的有源淬火电路 |
| CN106338339A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-01-18 | 东南大学 | 应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路 |
| 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 |
| CN109253807A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-01-22 | 桂林电子科技大学 | 基于标准集成电路工艺低噪声单光子探测芯片及系统 |
| CN109459149A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-03-12 | 桂林电子科技大学 | 一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统 |
-
2019
- 2019-12-25 CN CN201911356404.3A patent/CN111121986B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102004003A (zh) * | 2010-09-27 | 2011-04-06 | 南通墨禾量子科技发展有限公司 | 光脉冲同步的高时间分辨率低噪声单光子探测器 |
| CN102735351A (zh) * | 2012-06-27 | 2012-10-17 | 华南师范大学 | 一种单光子探测器电路及其探测方法 |
| US20150364635A1 (en) * | 2013-01-31 | 2015-12-17 | Malvern Instruments Limited | Single photon counting |
| CN103148950A (zh) * | 2013-03-15 | 2013-06-12 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 一种集成门控主动式淬火恢复电路 |
| CN105698826A (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-22 | 天津大学 | 一种应用于盖革模式apd探测器的有源淬火电路 |
| CN106338339A (zh) * | 2016-10-17 | 2017-01-18 | 东南大学 | 应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路 |
| 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 |
| CN109253807A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-01-22 | 桂林电子科技大学 | 基于标准集成电路工艺低噪声单光子探测芯片及系统 |
| CN109459149A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-03-12 | 桂林电子科技大学 | 一种高精度单光子探测芯片实时温度测量及性能优化系统 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111679290A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-09-18 | 上海禾赛光电科技有限公司 | 光子计数校正方法、激光雷达以及计算机可读介质 |
| WO2021251057A1 (ja) * | 2020-06-12 | 2021-12-16 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 光検出回路および測距装置 |
| CN112504482A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-16 | 桂林电子科技大学 | 在线后脉冲概率测量系统 |
| CN112504482B (zh) * | 2020-11-24 | 2021-09-28 | 桂林电子科技大学 | 在线后脉冲概率测量系统 |
| WO2023231315A1 (zh) * | 2022-05-30 | 2023-12-07 | 神盾股份有限公司 | 光学感测装置及其感测方法 |
| CN115047482A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-09-13 | 中国科学院近代物理研究所 | 一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111121986B (zh) | 2021-06-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111121986B (zh) | 一种具有后脉冲校正功能的单光子探测系统 | |
| Gallivanoni et al. | Progress in quenching circuits for single photon avalanche diodes | |
| JP6017916B2 (ja) | 光検出器 | |
| US8716643B2 (en) | Single photon counting image sensor and method | |
| US8581172B2 (en) | High-speed analog photon counter and method | |
| Seifert et al. | Simulation of silicon photomultiplier signals | |
| JP5644294B2 (ja) | 光検出器 | |
| US20120056078A1 (en) | Coordinated in-pixel light detection method and apparatus | |
| US9596421B1 (en) | Apparatus comprising a high dynamic range single-photon passive 2d imager and methods therefor | |
| US5532474A (en) | Active quench circuit and reset circuit for avalanche photodiode | |
| Vinogradov et al. | Efficiency of solid state photomultipliers in photon number resolution | |
| CN113224090A (zh) | 成像系统 | |
| US20160231168A1 (en) | Silicon photomultipliers with digitized micro-cells | |
| Incoronato et al. | Single-shot pulsed-lidar spad sensor with on-chip peak detection for background rejection | |
| CN111048540B (zh) | 一种门控式像素单元以及3d图像传感器 | |
| Berdalović et al. | Design of passive-quenching active-reset circuit with adjustable hold-off time for single-photon avalanche diodes | |
| CN116027301A (zh) | 低时间抖动单光子探测系统及其方法和卫星激光测距的方法 | |
| US20210088661A1 (en) | Photodetector and optical ranging apparatus using the same | |
| CN111060198B (zh) | 一种面向激光雷达线性/盖格模式兼容门控采样前端电路 | |
| CN110888119B (zh) | 一种具有复位控制的窗口信号产生和阈值计数电路 | |
| US20220264047A1 (en) | Low-power image sensor system with single-photon avalanche diode photodetectors | |
| CN113676165B (zh) | 一种光电器件脉冲宽度调制方法及外置淬灭辅助电路 | |
| KR102178409B1 (ko) | 단광자 검출 장치 | |
| CN116106863A (zh) | 硅光电倍增管及其读出电路、读出方法和激光雷达 | |
| CN211980624U (zh) | 硅光电倍增器、光电探测装置和成像系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |