CN111721408B - 一种基于超导纳米线光子探测阵列的电荷积分成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超导纳米线光子探测阵列的电荷积分成像方法，采用超导纳米线单光子探测器作为阵元，组成超导纳米线光子探测阵列，阵元的数量可调整；采用透镜阵列作为光学对位系统，将透射光分成与阵元数量相等的多光束，分别汇聚到超导纳米线探测区域；采用脉冲式激光器探测物体表面，将物体表面反射的不同光脉冲透过透镜阵列，记录每个光子的往返时间；采集各阵元探测的光子数，将阵元作为像元，由阵元的光子数计算像元的灰度值；将像元作为像素点绘制灰度图，由每个光子的往返时间计算物体和像素点的距离，根据灰度图和物像距离重建物体的三维图像。
Description
技术领域
本发明属于超导纳米光探测技术领域，具体涉及一种阵列成像技术。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(简称SNSPD)是一种新型的单光子探测器，应用在量子信息、空间通信、激光雷达、光谱检测、时间飞行、深度成像等领域，具有高灵敏度、低噪声、低暗计数、低时间抖动等优点。
SNSPD采用超薄、超导材料制备的纳米线，通过吸收光子形成局部热点(hot-pot)，在纳米线两端产生电压脉冲信号，实现单光子检测。对处于超导态的纳米线，施加一个偏置电流Ib，在纳米线吸收光子后，局部形成热岛；热岛周围的电流超过临界超导电流密度，该部分电阻升高，导致纳米线电流下降，同时电阻区的焦耳热效应减弱，向周围环境散热；电阻区域逐渐减小，恢复到环境温度后，电阻区域消失，纳米线上电流恢复到初始状态。
电脉冲的形成反映了纳米线上电流ID随时间变化的过程，若外部偏置电流Ib恒定，则SNSPD等效为动态电感Lk、开关S和时变电阻Rn。当SNSPD没有产生光响应时，纳米线处于超导态，S闭合，电流通过纳米线到地，IL＝0，ID＝IB；纳米线吸收光子后，S打开，形成电阻Rn，由电流连续性定理，IL+ID＝IB，ID迅速减小，IL迅速增加；由于纳米线中电热反馈机制的存在，几百皮秒后纳米线恢复超导态，S闭合。
单个SNSPD的探测效率高于半导体雪崩光电二极管(APD)，但它只能表征是否吸收了光子，无法准确输出光子的数量和空间位置分布。通过对光子的空间位置编码，可以进一步增加单光子所能表征的信息，但增加SNSPD的探测面积，会同时增加器件的动态电感，影响探测器的速度。
使用大规模超导纳米线单光子探测器阵列，让单个像元的尺寸尽可能的小，通过多个像元实现大面积的单光子探测，但目前多个SNSPD组成大规模阵列并读取还存在难度。
常用的成像系统是将模拟信号数字化，再对数字信号进行处理，还原成原图像。常见的两种对微弱信号进行数字化的方法。一是将微弱电流信号实时转换并放大成电压信号，即I-V变换，再通过A/D转换将模拟电压信号转换成数字信号，将探测器的输出信号完全还原，但在超导低温条件下，常见的半导体射频放大器内部载流子不发生迁移，失去放大作用。二是时间段处理方法，前端采用电流电压实时变换或积分电路，将电流转换成电压信号，再通过V-F变换或比较器等电路转换成脉冲，单个脉冲代表固定的电荷量，总电荷量与脉冲个数成正比。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，采用第二种方法，提出了一种基于超导纳米线光子探测阵列的电荷积分成像方法，将输出的脉冲信号转换成电流信号，在一段时间内积分，再转换成脉冲输出，根据总电荷量与输出脉冲个数成正比的关系反演出脉冲个数，工作波段为750nm～1550nm，光子探测效率最高可达98％，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
采用超导纳米线单光子探测器(简称SNSPD)作为阵元，组成超导纳米线光子探测阵列，阵元的数量可调整；采用透镜阵列作为光学对位系统，将透射光分成与阵元数量相等的多光束，分别汇聚到超导纳米线探测区域；采用脉冲式激光器探测物体表面，将物体表面反射的不同光脉冲透过透镜阵列，记录每个光子的往返时间；采集各阵元探测的光子数，将阵元作为像元，由阵元的光子数计算像元的灰度值；将像元作为像素点绘制灰度图，由每个光子的往返时间计算物体和像素点的物像距离，根据灰度图和物像距离重建物体的三维图像。
阵元包括超导纳米电路、放大电路、转换电路、积分电路、缓冲器，纳米线电路连接放大电路的输入端，放大电路的输出端经转换电路连接积分电路的输入端，积分电路的输出端经缓冲器连接计算机。
纳米线电路位于阵元中心位置，采用超导纳米线与薄膜电阻并联，与共面超导延迟线连接；各行的超导延迟线彼此连接，薄膜电阻采用10Ω至10000Ω，超导纳米线光响应的电阻为kΩ至MΩ量级；薄膜电阻将纳米线产生的电阻短路，释放内部超导电性扰动形成的临时电阻，使纳米线快速恢复超导态。
放大电路采用第一级放大电路、第二级放大电路、补偿电路、偏置电路，第一级放大电路采用差分输入放大器，经补偿电路向第二级放大电路输出，补偿电路由工作在线性区的MOS管和电容组成，第二级放大电路采用共源放大器，偏置电路由MOS管和电阻组成，为两级放大电路提供恒定偏置电流，各列阵元共用一个恒定电流源，产生稳定电流。
转换电路采用比较器和MOS管，将输入电压接入比较器同相输入端，将参考电压接入比较器反相输入端，将比较器的输出端经上拉电阻接入MOS管栅极，将MOS管漏极作为输出电流，若输入电压高于参考电压，则MOS管导通输出电流。
积分电路采用MOS管和电容，输入电流通过MOS管向电容充电，实现积分；电路在积分前先复位到低电位，采用开关强制复位或MOS管复位。
在超导低温下，纳米线电路被偏置在稍低于纳米线超导临界电流的状态；纳米线吸收光子，吸收区域的超导态被破坏，出现热岛效应，产生电阻，与薄膜电阻并联，阻值发生变化；纳米线冷却，热岛效应消失，纳米线恢复初始状态，阻值发生变化；纳米线阻值的变化使电路产生电脉冲信号，通过超导延迟线，将电脉冲信号经放大电路放大；经转换电路将电压信号转换为电流信号，经积分电路获得电流信号的电荷量，作为吸收光子的电荷量；将吸收光子的电荷量存入缓冲器，按行输入计算机，和单个光子的电荷量比较，得到吸收光子的数量。
设定纳米线产生光响应的像元位置为xa,光子被吸收的时间点为ta,像元产生的电脉冲信号沿纳米线的传输速度为v，经外围电路和寄存器的延迟，被计算机读出的时间分别为τ和τ’，每行超导延迟线的等效长度为L，则τ＝ta+(L-xa)/v，τ’＝ta+xa/v，吸收光子后xa＝((τ-τ’)v+L)/2，ta＝((τ+τ’)–L/v)/2；设定每行有n个像元同时产生光响应，读出时间为τ1，τ2，···，τn，计算得到光响应的位置。
使用脉冲式激光器，记录每个光子的往返总时间τall，可以得到物体实际所处位置的物像距离l＝c*τall/2，其中c为自由空间中的光速。
本发明不但具有单光子探测功能，而且能够获取物体表面反射或直接发射的光学信息，通过算法还原出物体原来的光学分辨信息，实现目标距离和三维图像的辨识。
附图说明
图1是电压脉冲信号，图2是脉冲响应的等效电路，图3是纳米线和电阻结构，图4是积分成像过程，图5是两级放大电路，图6是积分电路，图7是透镜聚光过程，图8是像元处理流程，图9是阵列电路原理。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
SNSPD利用超薄超导材料制备的纳米线，通过吸收光子形成局部热点(hot-pot)，在纳米线两端产生电压脉冲信号，如图1所示，实现单光子检测。
电脉冲的形成，可认为外部偏置电流Ib恒定，SNSPD等效为动态电感Lk、开关S和时变电阻Rn，整个过程在在外电路作用下如图2所示。
当SNSPD没有产生光响应时，纳米线处于超导态，S闭合，电流通过纳米线到地，IL＝0，ID＝IB；纳米线吸收光子后，S打开，形成电阻Rn，由于电流连续性定理，IL+ID＝IB，ID迅速减小，IL迅速增加；因为纳米线中电热反馈机制的存在，几百皮秒后，纳米线恢复超导态，S闭合。
采用超导纳米线单光子探测器(SNSPD)作为阵元，组成阵列，探测入射光子；将阵元作为像元，放大每个像元的输出电压脉冲信号，采用MOS管，将电压信号转换成电流信号；采用积分电容，由电流信号积分得到电荷量，根据该像元的电荷量计算光子数；根据阵列中每个像元的光子数来定义该像元的灰度，生成阵元的灰度图像，将灰度图像转换成原图像。
在单个像元的中心位置，采用超导纳米线与薄膜电阻形成的并联结构，如图3所示，超导纳米线和薄膜电阻两端，与共面超导延迟传输线连接，作为两级放大电路的输入端，放大电路的输出端连接三极管基极，三极管射极连接积分电路。
积分成像电路的工作原理如图4所示，像元在超导低温下，电路被偏置在稍低于纳米线超导临界电流的状态；当纳米线吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，出现热岛效应，产生电阻，此时超导纳米线与电阻视为并联，整个电路阻值产生变化；随着纳米线自身和衬底的冷却，热岛效应消失，恢复到初始状态；这一过程在外电路上，表现为一段电脉冲信号，用超导延迟线，将该电脉冲信号，经两级放大电路放大，经MOS管将电压信号转换成电流信号；对该电流信号积分，获得该像元的电荷量，根据单个脉冲的电荷量，计算得到该像元的光子数。
像元电路中的电阻采用金属材料或其他电阻材料，阻值在10Ω～10000Ω，超导纳米线光响应后，纳米线电阻由超导态变为电阻态，电阻在kΩ～MΩ级别，此时纳米线被电阻短接，电阻起到较好的分流作用，释放纳米线内部超导电性扰动形成的临时电阻态，防止纳米线处于闩锁状态，提高纳米线超导电流，减少纳米线电流下降时间，使纳米线快速恢复超导态。
两级放大电路如图5所示，主要包括四个部分：偏置电路、第一级放大电路、第二级放大电路和补偿电路；第一级放大电路采用差分输入放大器，有效抑制共模信号干扰，第二级放大电路采用共源放大器，第一级放大电路经补偿电路向第二级放大电路输出，补偿电路由工作在线性区的MOS管和电容组成，偏置电路由MOS管加入电阻组成，在支路产生一个稳定的电流源IB，为两级放大电路提供恒定偏置电流。
电压/电流转换电路由一个场效应管实现，电路中SNSPD阵列工作在极低温，常见半导体放大器不能正常工作，场效应管是电压控制器件，通过栅极电压VGS控制漏极输出电流ID；将前端电路输出电压接入比较器同相输入端，设定参考电压接入比较器反相输入端，比较器的输出经上拉电阻接入G脚，若控制前端输出电压比参考电压高，则MOS管导通输出电流。
积分电路如图6所示，由PMOS管和积分电容构成，前端电路输出电流通过注入管向积分电容充电，实现积分；电路增益的大小主要与电容大小有关，也受电源电压的限制，电路在积分前先复位到低电位，本电路采用开关强制复位，也可采用MOS管复位。
采集各像元的输出信号至缓冲器，由电荷量与光子数成正比的系数，计算该像元即像素点的光子数，对于大阵列探测器，阵列越大，像元越多，像素越高，图像还原度越高。
采用特殊的光学对位系统，如图7所示，透镜阵列，将入射光分束成与像元数量相等的多光束，各自汇聚到超导纳米线探测区域，提高阵列器件的填充率。
像元结构如图8所示，像元阵列如图9所示，由多个像元排列组成，阵列中每个像元都有单独的纳米线、信号处理电路和积分电路；每列连接一个恒定电流源，为超导纳米线提供偏置电流；每行像元的输出端连接一个缓冲器，供计算机读取数据，每行像元之间用超导延迟线彼此连接。
对物体表面进行光学探测，物体表面反射的不同光脉冲信号通过透镜阵列射入积分成像器件的像元探测区域
假设阵列中所有像元同时光响应，同时产生电脉冲信号，用时序电路在一个周期内，对每个像元的电脉冲信号分别积分，将输出电压分别传入缓冲器，按照行将信号读入计算机中；积分的周期越长，探测器阵列在每个周期探测到的光子数越多，但积分周期过长，光子数过多，会导致积分后的信号过大而难以处理，所以要合理选择积分周期。
一个光子被超导纳米线吸收后，假设在纳米线上产生响应的像元位置为xa,光子被吸收的时间点为ta,该像元位置产生一个电脉冲信号，经该像元外围电路的处理，输出一个电压V0到寄存器Ra，以固定的速度v，向纳米线的另一端传输，减去电脉冲在外围电路和寄存器的存取传输时间和读出延迟时间等固定延迟，分别被计算机读出的时间为τ和τ’，假设每行探测器延迟线的等效长度为L，根据距离和时间、速度的关系，可知τ＝ta+(L-xa)/v，τ’＝ta+xa/v，吸收光子后的像元位置xa和时间ta之间的关系xa＝((τ-τ’)v+L)/2，ta＝((τ+τ’)–L/v)/2。
当同一行中有n个像元同时产生光响应，根据像元被读出时间τ1，τ2，···，τn来确定光响应的位置；在一个固定时间T后，根据电荷量与光子数成正比的关系，将每个像元即像素点所接收到的电压信号还原成光子数，生成一幅带有灰度的统计图，当叠加次数足够多时，该灰度图能反映所辨识物体的特有光学信息。
使用脉冲式激光器，记录每个光子的往返总时间τall，可以得到物体实际所处位置的距离l＝c*τall/2，其中c为自由空间中的光速，在获得物体的空间位置信息后，可以重建出物体的三维图像。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于超导纳米线光子探测阵列的电荷积分成像方法，其特征在于，包括：
采用超导纳米线单光子探测器作为阵元，组成超导纳米线光子探测阵列，阵元的数量可调整；
阵元采用纳米线电路、放大电路、转换电路、积分电路、缓冲器，纳米线电路连接放大电路的输入端，放大电路的输出端经转换电路连接积分电路的输入端，积分电路的输出端经缓冲器连接计算机；
纳米线电路位于阵元中心位置，采用超导纳米线与薄膜电阻并联，与共面超导延迟线连接，各行的超导延迟线彼此连接，薄膜电阻采用10Ω至10000Ω，超导纳米线光响应产生的电阻为kΩ至MΩ量级，薄膜电阻将纳米线产生的电阻短路，释放内部超导电性扰动形成的临时电阻，使纳米线快速恢复超导态；
放大电路采用第一级放大电路、第二级放大电路、补偿电路、偏置电路，第一级放大电路采用差分输入放大器，第二级放大电路采用共源放大器，补偿电路由工作在线性区的MOS管和电容组成，第一级放大电路经补偿电路向第二级放大电路输出，偏置电路由MOS管和电阻组成，为两级放大电路提供恒定偏置电流，各列阵元共用一个恒定电流源，产生稳定电流；
转换电路采用比较器和MOS管，将输入电压接入比较器同相输入端，将参考电压接入比较器反相输入端，将比较器的输出端经上拉电阻接入MOS管栅极，将MOS管漏极作为输出电流，若输入电压高于参考电压，则MOS管导通输出电流；
积分电路采用MOS管和电容，输入电流通过MOS管向电容充电，实现积分，电路在积分前复位至低电位，采用开关强制复位或MOS管复位；
采用透镜阵列作为光学对位系统，将透射光分成与阵元数量相等的多光束，分别汇聚到超导纳米线探测区域，采用脉冲式激光器探测物体表面，将物体表面反射的不同光脉冲透过透镜阵列，记录每个光子的往返时间；
将阵元置于超导低温下，将纳米线电路偏置在稍低于纳米线超导临界电流的状态，使纳米线吸收光子，破坏吸收区域的超导态，出现热岛效应，阻值发生变化，纳米线冷却，热岛效应消失，纳米线恢复初始状态，阻值发生变化，纳米线阻值的变化使电路产生电脉冲信号，通过超导延迟线，将电脉冲信号经放大电路放大，经转换电路将电压信号转换为电流信号，经积分电路获得电流信号的电荷量，作为吸收光子的电荷量，将吸收光子的电荷量存入缓冲器，按行输入计算机，和单个光子的电荷量比较，得到吸收光子的数量；
采集各阵元探测的光子数，将阵元作为像元，由阵元的光子数计算像元的灰度值，将像元作为像素点绘制灰度图，由每个光子的往返时间计算物体和像素点的物像距离，根据灰度图和物像距离重建物体的三维图像。
2.根据权利要求1所述的基于超导纳米线光子探测阵列的电荷积分成像方法，其特征在于，所述将像元作为像素点绘制灰度图，包括：设定纳米线产生光响应的像元位置为xa,光子被吸收的时间点为ta,像元产生的电脉冲信号沿纳米线的传输速度为v，经外围电路和寄存器的延迟，被计算机读出的时间分别为τ和τ’，每行超导延迟线的等效长度为L，则τ＝ta+(L-xa)/v，τ’＝ta+xa/v，吸收光子后xa＝((τ-τ’)v+L)/2，ta＝((τ+τ’)–L/v)/2；设定每行有n个像元同时产生光响应，读出时间为τ1，τ2，···，τn，计算得到光响应的位置。
3.根据权利要求2所述的基于超导纳米线光子探测阵列的电荷积分成像方法，其特征在于，所述由每个光子的往返时间计算物体和像素点的物像距离，包括：设定光子的往返时间为τall，光速为c，则物体位置距离像素点距离l＝c*τall/2。
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