基于事件驱动机制的荧光寿命成像传感器研究

发布时间：2020-12-10 03:11

　　荧光寿命显微成像（Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy,FLIM）技术通过测量激发后的样本的荧光寿命,对样本所处的微观环境进行定量分析,广泛应用于生物学、医学、材料学等领域。然而目前FLIM的成像帧频普遍较低,限制了其在生物检测,临床诊断等高帧频成像领域的应用,本文针对这种现状,研究了一种基于事件驱动机制的高速荧光寿命成像传感器。本课题研究设计了一种基于事件驱动机制的FLIM传感器。传感器以单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode,SPAD）阵列作为探测器,采用时间相关单光子计数技术（Time Correlated Single Photon Counting,TCSPC）测量荧光寿命。针对TCSPC-FLIM光子事件稀疏的特性,读出电路采用事件驱动的机制,每个SPAD像素的输出通过异或树的结构合并到一条数据线上,通过该数据线上的光子事件驱动时间数字转换器直接生成光子计数直方图,解决了传统TCSPC系统因为读取大量冗余数据而带来的低帧频问题。本文通过分析积分提取算法的精度与时间通道的关系,对TCSPC系统产... 

【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 荧光寿命成像显微镜的概述
    1.2 FLIM传感器的发展
        1.2.1 SPAD阵列
        1.2.2 系统架构
        1.2.3 荧光寿命还原算法
    1.3 课题研究的意义
    1.4 课题研究的主要内容
第2章 FLIM的原理与性能指标
    2.1 荧光激发过程
    2.2 荧光寿命测量技术
        2.2.1 频域
        2.2.2 时域
    2.3 FLIM的性能指标
    2.4 本章小结
第3章 像素及读出电路的理论研究
    3.1 SPAD像素
        3.1.1 SPAD器件结构与工作原理
        3.1.2 淬灭电路
        3.1.3 SPAD的仿真模型
    3.2 时间数字转换器
        3.2.1 计数器型
        3.2.2 延迟线型
        3.2.3 游标型
        3.2.4 脉冲收缩型
        3.2.5 无源插值型
    3.3 本章小结
第4章 IEM算法及其扩展形式
    4.1 IEM算法
        4.1.1 算法理论
        4.1.2 误差分析
    4.2 IEM算法的扩展形式
        4.2.1 积分方式的扩展
        4.2.2 时间通道的扩展
    4.3 数值仿真
    4.4 本章小结
第5章 FLIM传感器设计与仿真
    5.1 芯片架构设计
    5.2 SPAD外围电路
        5.2.1 淬灭电路
        5.2.2 XOR-tree
    5.3 地址记录电路
    5.4 PLL设计
        5.4.1 PLL工作原理
        5.4.2 鉴频鉴相器
        5.4.3 电荷泵
        5.4.4 环路滤波器
        5.4.5 压控振荡器
        5.4.6 分频器
    5.5 PLL仿真结果
    5.6 TDC设计
        5.6.1 TDC结构
        5.6.2 延迟线
        5.6.3 直方图
        5.6.4 TDC的仿真结果
    5.7 算法设计
    5.8 芯片总体仿真
    5.9 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 工作展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]荧光寿命显微成像技术及应用的最新研究进展[J]. 刘雄波,林丹樱,吴茜茜,严伟,罗腾,杨志刚,屈军乐.  物理学报. 2018(17)
[2]基于标准CMOS工艺的非接触式保护环单光子雪崩二极管[J]. 吴佳骏,谢生,毛陆虹,朱帅宇.  光子学报. 2018(01)
[3]荧光相关光谱在生物化学领域中的应用[J]. 黄茹,周小明.  激光生物学报. 2013(04)
[4]荧光寿命成像技术及其研究进展[J]. 刘超,周燕,王新伟,刘育梁.  激光与光电子学进展. 2011(11)



本文编号：2907984