APD光子計數成像技術研究.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、生物波導探測、通信、粒子物理學等領域具有廣泛的應用前景，是各發(fā)達國家光電子學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)響應特性入手，對APD器件光電響應原理及其固有缺陷產生機理進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。本文研究的內容既涉及到基本的物理問題，也涉及到未來的應用。

2、>　　 在微弱光成像中，微弱的光信號更多地呈現出粒子特征，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的離散信號，很難使用經典的圖像噪聲理論和方法進行處理。為了減小微弱光的粒子性對成像質量的影響，通常采用延長積分時間的方法對較寬時間范圍內的微弱光信號進行能量積分，以抵消光子通量漲落和“群聚效應”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。采用光子計數得到入射光的光子計數值，通過已知概率分布的反演方法快速準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。光子計數反演方法能否準確反映目標光場的強度分布則成為光子計數成像的一個核心科學問題。本文從半經典統(tǒng)計光學出發(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合的方法對粗糙表面單光子反射特性進行了深入研究，得到了微弱光子信號經粗糙表面反射后的統(tǒng)計分布，證明了基于APD的光子計數反

4、演方法能夠準確反映目標光場的強度分布，為光子計數反演方法在APD光子計數成像中的應用奠定了理論基礎。
　　 在單光子計數系統(tǒng)中，APD的時間響應特性和頻率響應特性是很重要的?，F有的APD響應模型多以載流子穩(wěn)態(tài)平衡方程為基礎，對單光子量級的瞬態(tài)入射信號響應精度較差。為了更加準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的時間響應模型，并對時間響應特性方程進行傅立葉變換得到APD的頻率響應特性。數值仿真與實驗結果的比較顯示：在蓋革模式下，APD的增益快速提高，光電流持續(xù)時間增加，導致APD的響應頻率降低。采用門控技術和主動抑制技術可以在雪崩電流產生瞬間將APD的偏置電壓降低到雪崩電壓以下，抑制雪崩的繼續(xù)，從而達到縮短光電流的持續(xù)時間、提高器件的響應頻率的目的，滿足微弱光照條件下光子計

6、數成像的需要。
　　 采用APD進行光子計數成像時，受到器件恢復時間的限制，只能以門控工作方式對入射光子進行采樣，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時刻所載的信息量少，需要對接收到的光子事件進行統(tǒng)計特性的恢復和修正。為了盡量準確地對入射光場進行反演，我們建立了基于泊松點過程的光子事件模型和APD光子計數反演模型，通過蒙特卡羅仿真得到了所給標準圖像的光子計數反演結果，對不同參數條件下

7、的光子計數成像結果進行了比較，深入分析了非均勻性、暗計數等器件固有缺陷對成像質量的影響，給出了現有器件技術水平下APD光子計數成像的極限條件。
　　 構建了以硅APD單光子計數器為探測核心的實驗平臺，完成了相關的硬件和軟件開發(fā)，實現了單元掃描方式的APD光子計數成像。在實驗平臺上進行了大量的實驗測試，分析了成像模型仿真結果與實驗結果之間的共同點以及兩者產生差異的原因，對建立的光子計數成像模型進行了分析和評估，提出了進一步的改進措