CN111223883B - 一种双时步光电倍增器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双时步光电倍增器件，涉及光电探测技术领域，包括用于检测光子的光导模块、通信模块、信号处理模块以及信号输出模块，光导模块包括多个光电像素单元，通信模块确定光导像素单元的通信地址，光导模块包括多个光导像素单元构成的光导阵列；通信模块包括通信地址单元和连接线单元；信号处理模块包括控制单元、ADC处理单元以及TDC计算单元；信号输出模块包括比较器、存储条、输出端口。本发明可实现对光子信号转换为电信号的同时还可以对输出的电信号进行能量信息和时间信息计算，实现整个光电倍增器的光子探测信息和光子位置信息读出，可广泛用于双时步光电成像系统。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种双时步光电倍增器件。
背景技术
对于低通量光子探测主要使用的是由光电阴极、光电阳极和多个倍增电极构成的传统的光电倍增管(Photo Multiplier Tube，以下简称PMT)。传统的光电倍增器件PMT具有高增益、低暗电流和很好的线性特性，但是这种器件的尺寸庞大、工作电压高并且成本高昂。
基于硅的雪崩击穿器件硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，以下简称SiPM)是一种包含有雪崩二极管并且串联相同数量的淬灭电阻的光电探测器。雪崩二极管的工作模式有两种：正常模式和盖革模式。当偏置电压小于击穿电压时，雪崩二极管工作在正常模式；当偏置电压大于击穿电压时，雪崩二极管工作在盖革模式。正常模式下的SiPM没有电流输出，盖革模式下，如果SiPM被触发，SiPM的输出电流与入射的光子强度成正比。SiPM的主要优势在于其体积小、增益高、灵敏度好、工作电压低。
硬件电路的设计对于系统性能的提升起着决定性的作用。在进行光电探测时，不仅要考虑光电探测器对系统的影响，还要对光电探测器的外围电路进行设计。光电探测器的外围电路包括电信号预处理电路、模拟数字转换(Analog to Digital Converter，以下简称ADC)电路、时间数字转换(Time to Digital Converter，以下简称TDC)电路等。在实际应用中，由于光电探测器的外围电路较少，通常不能快速的实现电信号能量信息和时间信息的计算，常常会出现信号滞留的现象，处理信号的时间也较长，如果一味的增加外围电路，不仅会增加系统噪声，还会降低系统的空间利用率，造成空间的浪费。
发明内容
为解决现有技术问题，本发明通过将外围电路设计在光电探测器中的每个光电像素单元中，并增加ADC处理电路和TDC计算电路，每个光电像素单元不仅可以实现光信号到电信号的转换，还可以对输出的电信号进行能量信息和时间信息的计算并获取，将电子学系统配置在器件之上，实现整个光电倍增器的光子探测信息和光子位置信息读出，可广泛用于双时步光电成像系统。
本发明具体采用以下技术方案：
一种双时步光电倍增器件，包括用于检测光子的光导模块、通信模块、信号处理模块以及信号输出模块；
光导模块包括多个光导像素单元，多个光导像素单元呈阵列分布形成光导阵列；
光导像素单元包括光导底座、包裹层、光电二极管、淬灭组件以及缓冲道；包裹层位于光导底座上，光电二极管位于包裹层内，淬灭组件围绕在光电二极管的外部，缓冲道分布在整个光导像素单元的内部；
光导像素单元将转换形成的电信号发送到通信模块；
通信模块包括通信地址单元和连接线单元，通信地址单元与光导像素单元连接，通信地址单元包括用于光导阵列的行解码器和列解码器，通信地址单元确定光导像素单元在光导阵列中的通信地址；连接线单元与信号处理模块连接，连接线单元将从通信地址单元中获取的阵列通信地址输送至信号处理模块；
信号处理模块包括控制单元、ADC处理单元以及TDC计算单元；控制单元分别与ADC处理单元、TDC计算单元连接，信号处理模块指定相应光导像素单元的选通以及处理信号数据和通信地址的输出指令；
信号输出模块包括依次连接的比较器、存储条以及输出端口，ADC处理单元与比较器连接，TDC计算单元与存储条连接。
进一步的方案是，控制单元包括时钟信号、锁相环结构以及电源使能端，控制单元发送时钟信号到ADC处理单元和TDC计算单元。
进一步的方案是，ADC处理单元包括依次连接的ADC时钟接收端、模数转换电路、阈值设定电路。
进一步的方案是，阈值设定电路中设定的阈值为4-8个。
进一步的方案是，ADC时钟接收端可接收的时钟信号频率为0-200MHz。
进一步的方案是，TDC计算单元包括依次连接的TDC时间接收端、粗计时器、细计时器。
进一步的方案是，粗计时器和细计时器对应的时钟频率均为0-200MHz。
进一步的方案是，比较器中设有参考阈值，参考阈值为可调阈值；ADC处理单元输出到比较器中的信号幅值大于参考阈值，比较器输出1；信号幅值小于参考阈值，比较器输出0。
进一步的方案是，多个光导像素单元共用一个控制单元。
进一步的方案是，多个光导像素单元共用一个数据总线，多个光导像素单元共用一个所述输出端口。
本发明的有益效果：
本发明将外围电路设计在光电探测器中的每个光电像素单元中，并增加ADC处理电路和TDC计算电路，每个光电像素单元不仅可以实现光信号到电信号的转换，还可以对输出的电信号进行能量信息和时间信息的计算并获取，将电子学系统配置在器件之上，实现整个光电倍增器的光子探测信息和光子位置信息读出，可广泛用于双时步光电成像系统。
附图说明
图1为本发明实施例一种双时步光电倍增器件的结构示意图；
图2为本发明实施例一种双时步光电倍增器件的光导阵列图；
图3为图2中的光导阵列内部的光导像素单元结构示意图(图标3为3x3的光电二级管组成的光电二级管电路)；
图4为本发明实施例一种双时步光电倍增器件的数据走线图；
附图标注：1-光导底座；2-包裹层；3-光导二极管；4-淬灭组件；5-缓冲道；6-光导像素单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-4所示，本发明的一个实施例公开了一种双时步光电倍增器件，包括用于检测光子的光导模块、通信模块、信号处理模块以及信号输出模块；光导模块包括多个光导像素单元6，多个光导像素单元6呈阵列分布形成光导阵列；光导像素单元6包括光导底座1、包裹层2、光电二极管3、淬灭组件4以及缓冲道5；包裹层2位于光导底座1上，光电二极管3位于包裹层2内，淬灭组件4围绕在光电二极管3的外部，缓冲道5分布在整个光导像素单元6的内部；光导像素单元6将转换形成的电信号发送到通信模块；通信模块包括通信地址单元和连接线单元，通信地址单元与光导像素单元6连接，通信地址单元包括用于光导阵列的行解码器和列解码器，通信地址单元确定光导像素单元6在光导阵列中的通信地址；连接线单元与信号处理模块连接，连接线单元将从通信地址单元中获取的阵列通信地址输送至信号处理模块；信号处理模块包括控制单元、ADC处理单元以及TDC计算单元；控制单元分别与ADC处理单元、TDC计算单元连接，信号处理模块指定相应光导像素单元的选通以及处理信号数据和通信地址的输出指令；信号输出模块包括依次连接的比较器、存储条以及输出端口，ADC处理单元与比较器连接，TDC计算单元与存储条连接。
采集的光信号经光导像素单元处理后转换为电信号，通信模块中的通信地址单元获取所述电信号的通信地址，并经由连接线单元将电信号和相应的通信地址输送至信号处理模块中进行数据处理，信号处理模块中的控制单元发送时钟信号给ADC处理单元和TDC计算单元，在ADC处理单元和TDC计算单元分别对电信号进行信号能量计算和信号时间计算，并将计算的结果发送至存储条中储存，并经数据总线的输出端口输出；本发明将外围电路设计在光电探测器中的每个光电像素单元中，并增加ADC处理电路和TDC计算电路，每个光电像素单元不仅可以实现光信号到电信号的转换，还可以对输出的电信号进行能量信息和时间信息的计算并获取，将电子学系统配置在器件之上，实现整个光电倍增器的光子探测信息和光子位置信息读出，可广泛用于双时步光电成像系统。
在本实施例中，缓冲道5中填充有光阻隔材料，且缓冲道5采用CMOS工艺。
在本实施例中，光导底座1和包裹层2均采用硅基材料。
采集的光信号经光导像素单元处理后转换为电信号，通信模块中的通信地址单元获取所述电信号的通信地址，并经由连接线单元将电信号和相应的通信地址输送至信号处理模块中进行数据处理，信号处理模块中的控制单元发送时钟信号给ADC处理单元和TDC计算单元，在ADC处理单元和TDC计算单元分别对电信号进行信号能量计算和信号时间计算，并将计算的结果发送至存储条中储存，并经数据总线的输出端口输出；本发明将外围电路设计在光电探测器中的每个光电像素单元中，并增加ADC处理电路和TDC计算电路，每个光电像素单元不仅可以实现光信号到电信号的转换，还可以对输出的电信号进行能量信息和时间信息的计算并获取，将电子学系统配置在器件之上，实现整个光电倍增器的光子探测信息和光子位置信息读出，可广泛用于双时步光电成像系统。
在本实施例中，控制单元包括时钟信号、锁相环结构以及电源使能端，控制单元发送时钟信号到ADC处理单元和TDC计算单元。
在本实施例中，ADC处理单元包括依次连接的ADC时钟接收端、模数转换电路、阈值设定电路阈值设定电路中设定的阈值为4-8个。ADC时钟接收端接收到时钟信号后，首先经阈值设定单元设定4-8个阈值，并将所设定的阈值发送到模数转换电路中进行模数转换；经过ADC处理单元处理后的信号发送至比较器进行滤波处理，最后将处理后的数字信号存储在存储条中。
在本实施例中，ADC时钟接收端可接收的时钟信号频率为0-200MHz。
在本实施例中，TDC计算单元包括依次连接的TDC时间接收端、粗计时器、细计时器。TDC时间接收端接收时钟信号，再通过粗计时器的粗略计算和细计时器的精细计算，最后将获得的时间信息存储在存储条中。
在本实施例中，粗计时器和细计时器对应的时钟频率均为0-200MHz。
在本实施例中，比较器中设有参考阈值，参考阈值为可调阈值；ADC处理单元输出到比较器中的信号幅值大于参考阈值，比较器输出1；信号幅值小于参考阈值，比较器输出0。
在本实施例中，多个光导像素单元6共用一个控制单元。
在本实施例中，多个光导像素单元6共用一个数据总线，多个光导像素单元6共用一个输出端口。
在本实施例中，多个所述光导像素单元6共用一个时钟信号。
最后说明的是，以上仅对本发明具体实施例进行详细描述说明。但本发明并不限制于以上描述具体实施例。本领域的技术人员对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。
Claims (10)
1.一种双时步光电倍增器件，包括用于检测光子的光导模块、通信模块、信号处理模块以及信号输出模块，其特征在于：
所述光导模块包括多个光导像素单元(6)，多个所述光导像素单元(6)呈阵列分布形成光导阵列；
所述光导像素单元(6)包括光导底座(1)、包裹层(2)、光电二极管(3)、淬灭组件(4)以及缓冲道(5)；所述包裹层(2)位于所述光导底座(1)上，所述光电二极管(3)位于所述包裹层(2)内，所述淬灭组件(4)围绕在所述光电二极管(3)的外部，所述缓冲道(5)分布在整个所述光导像素单元(6)的内部；
所述光导像素单元(6)将转换形成的电信号发送到所述通信模块；
所述通信模块包括通信地址单元和连接线单元，所述通信地址单元与所述光导像素单元(6)连接，所述通信地址单元包括用于所述光导阵列的行解码器和列解码器，所述通信地址单元确定所述光导像素单元(6)在所述光导阵列中的通信地址；所述连接线单元与所述信号处理模块连接，所述连接线单元将从所述通信地址单元中获取的阵列通信地址输送至所述信号处理模块；
所述信号处理模块包括控制单元、ADC处理单元以及TDC计算单元；所述控制单元分别与所述ADC处理单元、所述TDC计算单元连接，所述信号处理模块指定相应所述光导像素单元的选通以及处理信号数据和通信地址的输出指令；
所述信号输出模块包括依次连接的比较器、存储条以及输出端口，所述ADC处理单元与所述比较器连接，所述TDC计算单元与所述存储条连接；
每个所述光导像素单元(6)设有对应的所述通信模块、所述ADC处理单元和所述TDC计算单元、以及所述比较器和所述存储条。
2.根据权利要求1所述一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
所述控制单元包括时钟信号、锁相环结构以及电源使能端，所述控制单元发送时钟信号到所述ADC处理单元和所述TDC计算单元。
3.根据权利要求1所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
所述ADC处理单元包括依次连接的ADC时钟接收端、模数转换电路、阈值设定电路。
4.根据权利要求3所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
所述阈值设定电路中设定的阈值为4-8个。
5.根据权利要求3所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
所述ADC时钟接收端可接收的时钟信号频率为0-200MHz。
6.根据权利要求1所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
所述TDC计算单元包括依次连接的TDC时间接收端、粗计时器、细计时器。
7.根据权利要求6所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
所述粗计时器和所述细计时器对应的时钟频率均为0-200MHz。
8.根据权利要求1所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
所述比较器中设有参考阈值，所述参考阈值为可调阈值；所述ADC处理单元输出到所述比较器中的信号幅值大于所述参考阈值，所述比较器输出1；所述信号幅值小于所述参考阈值，所述比较器输出0。
9.根据权利要求1所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
多个所述光导像素单元(6)共用一个所述控制单元。
10.根据权利要求1所述的一种双时步光电倍增器件，其特征在于：
多个所述光导像素单元(6)共用一个数据总线，多个所述光导像素单元(6)共用一个所述输出端口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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