二维扫描APD光子计数成像技术研究 (2)

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光子计数系统结构

图1.1 光子计数系统结构

图像都可以看做二维空间的光强或光场的分布，所有图像都可以设为一个f（x,y）的二维函数，x,y都代表着空间坐标，而f在任一点的幅度称为他在该点的亮度。

当我们预先设计好我们采集图像的范围和我们采集的时间间隔，这样光电探测器探测到的每一点的光子数便可以对应到该点的亮度信息，在理论上来说，当二维扫描满足奈奎斯特抽样定理时，我们就可以把扫描得到的二维计数值矩阵给还原成原有的图像。

1.2 光子计数成像的发展与展望

雪崩型光电二极管（APD）利用高反向偏压下耗尽层产生载流子的雪崩效应来获得更高增益，灵敏度高，频率响应快，是目前响应最快的一种光电二极管[2]，当前在微弱辐射系新年好的探测方向被广泛地应用。在设计时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和结面的完整，各个厂商未来的主要研究目标就是来制造大规模，高稳定性，低功耗的APD阵列。

1.3 本文研究背景

光子计数技术在理论上完全有着有效探测单光子的能力，他可以做到探测出极微弱光下的光子图像，随着医学光学，宇宙探索等领域的发展，我们越发需要提高我们的为弱光探测技术，所以近年来我国大力发展微光像增强技术，开发过三代微光探测器，它们的性能也有所差距，有着不同的最低照度，第一代和第二代微光器件均采用微光像增强技术，他们的最低工作照度为10-3lux，而第三代微光仪器就开始采用GaAs光阴极，它可以在更低照度下工作，可以达到10-4lux。但是对于光照条件更加苛刻的探测，例如天文观察，卫星侦察等，这些仪器已经无法满足人们的需求，在这些探测中我们已经无法只把光当成单纯的模拟量来看待，需要更加精确的来预判光子可能出现的位置，得到数据之后我们对其进行分析反演来还原被测物体，所以我们需要不断完成改进光子计数成像技术，在这方面我们已经和发达国家有了一定的差距，，国外的红外成像器件已经发展到了更加智能准确的4代，在光电工艺，生产方面都取得了不小的成就，研究高灵敏度APD单点红外成像，提高红外图像分辨率避开国外技术封锁，有着积极和现实的意义[3]。

1.4 本文的任务安排

本次论文要完成设计光子计数成像系统在微弱光照度下的成像实验，安排了三个部分的内容。

第一章具体介绍了光子计数成像系统的结构和原理，并具体对它的发展和展望做了一个总结。

第二章介绍了现在在性能方面较为领先的的APD单光子探测器。并将其与几种比较传统的单光子探测器进行比较，如光电倍增管，电荷耦合器件等。在比较中我们更深入地理解认识了APD的原理和它的性能参数，分析出它的优点与不足之处，并总结出几种用于保护它正常工作的抑制电路，使我们对APD的工作原理有了更全面的认知。

第三章我们先介绍来了一些光子基本特性，然后根据贝克曼粗糙表面反射光理论和光的测不准关系来搭建一个光子反射模型，通过matlab仿真来得到实验图像最终验证出二维光子计数扫描的可行性[4]。

2.APD探测原理及其特性研究

2.1 单光子探测器综述

随着时代的发展，我们对极微弱光探测技术越发重视起来，现在我们可以探测极微弱光的重要手段就是单光子探测器，所以我们需要增加我们对它的了解，理解他的特性并且熟悉他的性能参数[5]。现在我们一般常用的单光子探测器有光电倍增管，处于雪崩模式下的雪崩光电二极管和电荷藕合器件。下文我们就要探讨这三者的特点和他们的工作原理。