自适应采样光子计数线阵读出电路设计

发布时间：2020-09-01 17:25

　　光子计数成像技术采用具备单光子检测灵敏度的传感器,通过对目标场景的高精度采样获取其二维图像信息。单光子计数探测以其高灵敏度、高信噪比和时间稳定性好等特点,被广泛应用于国防预警、电网安全监控、量子信息和医学成像等领域。随着当代探测技术和信息处理技术应用的不断深入与拓展,对单光子探测系统的光子探测率、检测精度以及灵敏度等性能指标提出了越来越高的要求。本文针对高压电晕漏电检测应用需求,提出了一种自适应采样光子计数线阵读出电路,实现对目标物体微弱紫外辐射光子强度信息的精密测量。该读出电路采用由光子触发雪崩并自动淬灭的被动型采样方式,即由光子分布决定采样及其淬灭的时序。对于弱光检测一般都能够获得与光子随机分布相一致的时序分布特性。在读出电路内部加入处理单元实现了Hold-off time自动调控,可根据当前检测帧的光子数动态调整下一帧死区延迟时间的长短。系统在确保正确检测到绝大多数光子即维持一定探测效率的前提下,减少APD探测器的待测时间,以期降低暗计数和后脉冲引入的误计数。在此基础上,完成各模块电路设计和像素阵列布局。最后,结合芯片可测性设计要求,完成了系统的电路和版图设计。在TSMC 0.18μm MS CMOS工艺条件下,本文完成了自适应采样光子计数线阵读出电路的仿真和MPW流片验证等工作。阵列规模1×8,读出电路总面积为1634μm×995μm,前后仿真结果均满足设计要求。芯片测试结果表明,自适应探测系统各模块功能正常,并且每个像素间的死区时间调节相互独立,可最大程度的提升整体线阵性能。光强增加后探测率下降,系统通过自动降低死区时间,一定程度上弥补探测率的损失。暗计数率小于8kcps,动态范围36.12dB,死区时间可调范围0.1μs~204.8μs,功耗2.9mW,在弱光条件下探测率可达100%。最后,在光学成像仪器配合下,实现了对目标紫外光源的扫描成像。本文研制的紫外单光子探测系统可应用于高压电气设备状态监测,在近地测绘侦察、船舶和飞行器三维数字视觉等方面也有潜在的应用价值。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN15
【部分图文】：

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(a) 单像素原理图 (b) 采集数据像素寻址输出方式图 1-1 32×32 阵列的单像素原理图和数据传输方式随后 Sergio Cova 教授研究团队又于 2014 年开发了阵列规模为 64 32 的光子计数成像仪，该产品具备光子计数和光子计时功能，即可以实现成像和测距功能。帧频为 100kfps，光子探测效率在波长 420nm 处达到最大 50%，动态范围达 110dB[26]。图 1-2 为相机在测距成像中的应用，从图中可以较清晰的分辨出人和周围环境。为了提高的图像精度，可以延长积分时间，即增大曝光时间，收集更多的光子，使得信噪比增大，图像更清晰[27]。(a) 可见光摄像 (b) 2D 探测成像图

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第五章芯片测试与结果分第五章芯片测试与结本章主要阐述搭建芯片测试平台的方法以及测试操作的探测模式(加 APD)两种模式下，对系统的功能和性能进行题给出改进方向和优化策略。.1 测试环境与平台1) 芯片封装自适应探测系统芯片的显微镜拍照如图 5-1(a)所示，并图 5-1(b)所示。

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图 5-1(b)所示。(a) 芯片显微图 (b) 封装完的芯片图 5-1 自适应探测系统芯片根据芯片设计需求，采用 Altium Designer 软件设计相应的测试 PCB 板，如图 5-2 所示。该 P为两层，PCB 板上的模拟信号和数字信号走线需尽量分离，两者 GND 也需分开，最后采用 0电阻连接在一起，在大面积铺铜时，模拟地和数字地两个地网络不会大面积直接相连，使噪声抑制。为了降低供电电源噪声，也需要在电源和地之间添加去耦电容。

【参考文献】