自适应采样光子计数线阵读出电路设计

摘要

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TSMC0.18μm MSCMOS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。

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