基于APD的光子计数成像系统研究与设计

论文摘要

20世纪60年代发展起来的光子计数成像系统有极高的灵敏度,原理上可探测单个光子及其空间位置,因此能获取极弱的光子图像。随着微光像增强技术和微光成像器件的发展,光子计数成像技术近年来发展很快并日趋成熟,光子计数成像在军事、天文学、物理学、化学、生物学、量子电子学等领域得到了广泛应用。论文从光子计数成像技术的原理出发,研究了光子计数成像系统的发展,针对目前常用单光子探测器件：光电倍增管及电荷耦合器件的存在问题,选择工作于盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)作为核心探测器,在深入了解APD的单光子探测机理、盖革模式下性能参数以及雪崩抑制电路种类和特点的基础上采用单探测器接收、二维扫描的方式构建光子计数成像系统。为控制APD光子计数成像系统各部分的工作及与计算机之问的数据互传,论文设计了基于FPGA的硬件电路板,包括通讯模块,二维导轨控制模块,照度调整模块等。采用VHDL语言描述FPGA的规划并实现硬件控制电路板的各模块功能。利用FPGA的锁相环实现数字化倍频技术以达到ns级的光脉冲捕获精度。通过FPGA内部计数器的设计,实现多个采样周期光子计数结果的累加输出。论文在APD光子计数成像系统的基础上对其参数进行了测试及标定,通过扫描成像实验证明了整套系统的光子计数成像能力。最后结合实验中发现的问题,给出了今后研究的方向和对于APD光子计数成像技术的研究展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光子计数成像技术概述
• 1.1.1 光的量子特性
• 1.1.2 光子计数技术及成像原理
• 1.2 光子计数成像系统发展
• 1.3 论文的研究背景
• 1.4 论文的主要研究内容
• 2 APD探测器特性分析
• 2.1 单光子探测器
• 2.1.1 光电倍增管（PMT）
• 2.1.2 电荷耦合器件（CCD）
• 2.1.3 雪崩光电二极管（APD）
• 2.2 APD的结构
• 2.2.1 三种光电探测材料
• 2.2.2 APD的典型结构分析
• 2.3 APD的主要性能参数
• 2.3.1 平均雪崩增益
• 2.3.2 响应度
• 2.3.3 时间分辨率
• 2.3.4 暗计数
• 2.4 APD的工作模式
• 2.4.1 无源抑制方式
• 2.4.2 有源抑制方式
• 2.4.3 门控抑制方式
• 3 基于APD的光子计数成像系统设计
• 3.1 APD探测器模块
• 3.2 二维扫描模块
• 3.3 光学系统
• 3.3.1 光源
• 3.3.2 掩模板
• 3.4 计算机操作界面
• 3.5 系统总述
• 4 系统硬件控制的FPGA实现
• 4.1 FPGA概述
• 4.1.1 FPGA原理及结构
• 4.1.2 FPGA设计中注意的问题
• 4.2 PCB电路板设计简介
• 4.2.1 电路设计软件的选择
• 4.2.2 PCB设计中注意的问题
• 4.3 硬件编程简介
• 4.3.1 FPGA的基本开发流程
• 4.3.2 VHDL硬件描述语言
• 4.4 基于FPGA的硬件控制电路板设计
• 4.4.1 配置模块
• 4.4.2 时钟控制模块
• 4.4.3 存储器模块
• 4.4.4 电源模块
• 4.4.5 光源控制模块
• 4.4.6 二维导轨控制模块
• 4.4.7 通信模块
• 4.5 硬件控制电路板的VHDL描述
• 4.5.1 分频器
• 4.5.2 串行通信模块
• 4.5.3 二维导轨控制模块
• 4.5.4 光子计数模块
• 4.5.5 程序工作流程总述
• 5 APD光子计数成像实验研究
• 5.1 系统参数测试
• 5.1.1 暗计数测定
• 5.1.2 光子计数与照度关系测定
• 5.2 扫描成像实验
• 5.3 辨别能力测试
• 6 总结和展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献