APD光子計數(shù)成像技術(shù)研究.pdf

1、工作在蓋革模式下的雪崩型光電二極管(APD)和二極管陣列(APD array)具備單光子探測能力，在天文觀測、生物波導(dǎo)探測、通信、粒子物理學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是各發(fā)達(dá)國家光電子學(xué)重點研究的課題之一。本文從光子統(tǒng)計特性和APD的瞬態(tài)響應(yīng)特性入手，對APD器件光電響應(yīng)原理及其固有缺陷產(chǎn)生機理進(jìn)行了理論分析和實驗研究，提出了一種新的基于蓋革模式APD器件的微弱光成像方法。本文研究的內(nèi)容既涉及到基本的物理問題，也涉及到未來的應(yīng)用。

2、>　　 在微弱光成像中，微弱的光信號更多地呈現(xiàn)出粒子特征，并伴隨著隨機的通量漲落，這種粒子性和隨機性給成像系統(tǒng)帶來的是與圖像信息相關(guān)的離散信號，很難使用經(jīng)典的圖像噪聲理論和方法進(jìn)行處理。為了減小微弱光的粒子性對成像質(zhì)量的影響，通常采用延長積分時間的方法對較寬時間范圍內(nèi)的微弱光信號進(jìn)行能量積分，以抵消光子通量漲落和“群聚效應(yīng)”造成的影響，這種能量平均的方法一方面需要對成像器件進(jìn)行特殊處理以減小器件自身的暗電流和熱噪聲，另一方面則降低了成

3、像頻率。采用光子計數(shù)得到入射光的光子計數(shù)值，通過已知概率分布的反演方法快速準(zhǔn)確地得到入射光的統(tǒng)計特性，成為克服微弱光探測難題的一個研究熱點和難點。光子計數(shù)反演方法能否準(zhǔn)確反映目標(biāo)光場的強度分布則成為光子計數(shù)成像的一個核心科學(xué)問題。本文從半經(jīng)典統(tǒng)計光學(xué)出發(fā)，建立了粗糙表面的單光子反射模型，采用蒙特卡羅仿真與物理實驗相結(jié)合的方法對粗糙表面單光子反射特性進(jìn)行了深入研究，得到了微弱光子信號經(jīng)粗糙表面反射后的統(tǒng)計分布，證明了基于APD的光子計數(shù)反

4、演方法能夠準(zhǔn)確反映目標(biāo)光場的強度分布，為光子計數(shù)反演方法在APD光子計數(shù)成像中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 在單光子計數(shù)系統(tǒng)中，APD的時間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性是很重要的?，F(xiàn)有的APD響應(yīng)模型多以載流子穩(wěn)態(tài)平衡方程為基礎(chǔ)，對單光子量級的瞬態(tài)入射信號響應(yīng)精度較差。為了更加準(zhǔn)確地描述單光子量級的瞬態(tài)信號入射狀態(tài)下APD的響應(yīng)特性，本文立足于單個載流子在耗盡層漂移和倍增區(qū)碰撞電離過程，將倍增區(qū)劃分為厚度△x→0的倍增區(qū)域，針對單個倍

5、增區(qū)域建立時間-載流子濃度方程，通過時域積分方法建立了四層拉通型APD的時間響應(yīng)模型，并對時間響應(yīng)特性方程進(jìn)行傅立葉變換得到APD的頻率響應(yīng)特性。數(shù)值仿真與實驗結(jié)果的比較顯示：在蓋革模式下，APD的增益快速提高，光電流持續(xù)時間增加，導(dǎo)致APD的響應(yīng)頻率降低。采用門控技術(shù)和主動抑制技術(shù)可以在雪崩電流產(chǎn)生瞬間將APD的偏置電壓降低到雪崩電壓以下，抑制雪崩的繼續(xù)，從而達(dá)到縮短光電流的持續(xù)時間、提高器件的響應(yīng)頻率的目的，滿足微弱光照條件下光子計

6、數(shù)成像的需要。
　　 采用APD進(jìn)行光子計數(shù)成像時，受到器件恢復(fù)時間的限制，只能以門控工作方式對入射光子進(jìn)行采樣，這樣就把有效時間分成了一組離散的時間間隔。顯然，這樣測量得到的信息要比光子本身出現(xiàn)時刻所載的信息量少，需要對接收到的光子事件進(jìn)行統(tǒng)計特性的恢復(fù)和修正。為了盡量準(zhǔn)確地對入射光場進(jìn)行反演，我們建立了基于泊松點過程的光子事件模型和APD光子計數(shù)反演模型，通過蒙特卡羅仿真得到了所給標(biāo)準(zhǔn)圖像的光子計數(shù)反演結(jié)果，對不同參數(shù)條件下

7、的光子計數(shù)成像結(jié)果進(jìn)行了比較，深入分析了非均勻性、暗計數(shù)等器件固有缺陷對成像質(zhì)量的影響，給出了現(xiàn)有器件技術(shù)水平下APD光子計數(shù)成像的極限條件。
　　 構(gòu)建了以硅APD單光子計數(shù)器為探測核心的實驗平臺，完成了相關(guān)的硬件和軟件開發(fā)，實現(xiàn)了單元掃描方式的APD光子計數(shù)成像。在實驗平臺上進(jìn)行了大量的實驗測試，分析了成像模型仿真結(jié)果與實驗結(jié)果之間的共同點以及兩者產(chǎn)生差異的原因，對建立的光子計數(shù)成像模型進(jìn)行了分析和評估，提出了進(jìn)一步的改進(jìn)措