[发明专利]一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法

摘要

针对单光子雪崩二极管探测器（SPAD），本发明提出了一种新型的模拟信号读出方法，该方法分为复位、计数和信号读出三个连续的过程。在复位阶段，电容首先被充电到电源电压。复位结束后进入计数阶段，SPAD探测器产生的雪崩脉冲信号每输入一个，计数电路计数一次，电容上的电荷放电一次。在一段计数时间内，电容上的电压改变值与这段时间内SPAD探测到的光子的数量成比例变化，可计算出SPAD探测到的光子数。在计数结束后，进入信号读出阶段。通过电压跟随器可读出电容上的电压值。此外，可对探测器曝光之前和曝光之后分别进行两次模拟信号的计数与读出，然后将两次读出的模拟信号进行相减的方法来消除暗计数的影响，可得到准确的光子计数。

主权项

一种单光子雪崩二极管探测器的模拟信号读出方法，其特征在于：该方法是由复位电路，计数电路和信号读出电路实现；复位电路由电容C和单路开关K1组成；计数电路由线性计数和对数计数电路以及单路开关K2和双路开关K3组成；信号读出电路由电压跟随器和单路开关K4组成；输入信号经单路开关K2后分两条支路，分别引入线性计数电路和对数计数电路，两支计数电路与双路开关K3的双端相连，K3的另一端引出两支计数电路，并与电容C的下极板相连；电容C的上极板与电源vdd相连，并且单路开关K1的两端与电容C两端并联；电容C的下极板经单路开关K4后连接到电压跟随器，通过电压跟随器输出电容C下极板上的模拟信号；其具体读出方法和过程为：（1）复位阶段：在进行光子信号探测之前，单路开关K1闭合，单路开关K2和K4断开，电容C被充电，经过短暂时间后开关K1断开，电容C两端的电压被充电到电源电压值；（2）计数阶段：复位完成以后，SPAD开始对光子信号进行探测，产生雪崩脉冲信号，单路开关K2闭合，单路开关K1和K4断开；当雪崩脉冲输入到计数电路，每来一个脉冲，计数电路导通一次，电容C放电一次；电容C上的电荷量随着雪崩脉冲的个数增加而逐渐减小，电压也随之降低；双路开关K3可以选择计数电路的工作方式；当选择线性计数方式时，电容C上的电荷量随着输入的雪崩脉冲数增加而线性的减小，电容C上的电压也随输入脉冲个数增加而呈线性关系降低；当选择对数计数方式时，电容C上的电荷量随着输入雪崩脉冲数增加而呈对数关系的减小，电容C上的电压也随输入脉冲个数增加而呈对数关系降低；（3）信号读出阶段：当SPAD对光子信号完成探测，单路开关K2断开，单路开关K1也仍然断开，单路开关K4闭合，电容C上的电压值通过电压跟随器读出；读出的模拟电压值大小可反映出SPAD探测器在光子探测期间所产生的雪崩脉冲个数，通过雪崩脉冲个数可计算得到入射到SPAD探测器上的光子数目。