[发明专利]一种提高SiPM光电传感器的响应动态范围的方法及系统

说明书

本申请公开了一种提高SiPM光电传感器的线性响应动态范围的方法和系统，包括：将接收到的入射光信号进行光束整形，并使整形后的光信号照射到后置的SiPM传感器的感光面上；所述SiPM传感器将接收到的光信号转换为电流信号，并将所述电流信号传输给跨阻放大器；所述跨阻放大器将接收的电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号传输给非线性放大器；所述非线性放大器根据接收到的电压信号的强度幅值进行非线性修正；该方法的设计一方面通过对强光照射下的响应输出信号进行非线性修正，提高SiPM对强光响应的线性度；另一方面通过提高电路分辨率优化SiPM对弱光响应的线性度，最终使SiPM的线性动态响应范围达到6个量级(pW‑uW)。

技术领域

本申请涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种提高SiPM光电传感器的响应动态范围的方法。此外，本申请还涉及一种提高SiPM光电传感器的响应动态范围的系统。

背景技术

SiPM(silicon photomultiplier，硅光电倍增管)或MPPC(multi-pixel photo-counter，多像素光子计数器)是一种新兴的具有较高内部增益的(10^5～10^6)光电探测器件。与传统的PMT(Photo multiplier tube，光电倍增管)相比，SiPM具有体积小，结构紧凑，产品一致性好，可靠性强等特点；且可在低偏压下工作，具有良好的抗磁场干扰和耐机械冲击性能；具有高增益、高光子探测效率、快速响应、以及优良的时间分辨率和宽光谱响应范围等优点。目前广泛应用于高能物理、核医学、雷达测距、免疫荧光检测等领域。

从工作原理上讲，SiPM是由一系列工作在盖革模式(Geiger Mode，或计数模式)下的雪崩光电二极管(avalanche diode(APD)，尺寸约为10um～100um)阵列组成，每一个APD光敏单元(或像元，pixel)都独立的工作在光电子计数模式下，所有像元的光电响应信号脉冲并联在一起形成最终的输出信号。对其中任一特定的光敏单元来说，当有光子信号到达并被接收转换为电子后，经雪崩放大后即产生一个光电脉冲信号输出。为了能够对下一个到来的光子信号产生响应，该光敏单元在雪崩发生后会被迅速地切断两端的Bias电压，使其恢复到接收光子的状态，这一过程通常被称为恢复时间(Recovery time，Tr)。在恢复时间内，这一光敏单元对入射到其上面的任何光子都是没有响应的(不论光子数目有多少)，即不再有光电脉冲信号输出，这段时间通常也被称为死时间。因此，当入射到SiPM表面上的光子流密度超过一定程度时，SiPM输出的光电脉冲数目或电压幅值与实际入射到其上面光子数目不再是严格的线性响应关系，尤其是在强光照射情况下(如100nW)，SiPM传感器的输出信号会呈现出明显的非线性响应甚至出现饱和现象。

针对SiPM的强光响应非线性问题，目前研究人员已经提出了几种不同的解决方案：1)采用结构照明，通过在SiPM入射窗口端面上增加不同的光学元件(如透镜，棱镜，干涉薄膜、反光镜等)改变实际照射到SiPM像元上的光子密度分布，以延缓SiPM的饱和输出光强，本质上其强光响应的非线性提升是以降低实际接收光子数目来实现的，缺点是会牺牲弱光响应的灵敏度，而且并未明显改善SiPM对强光响应输出的线性度；2)依据光信号在SiPM传感器表面的强度分布进行分区(如强光区a和弱光区b)，并将对应的a区信号和b区信号分为两路分别输出和后期处理，然后再根据两路信号的差异计算出校准曲线，最终通过算法或软件进行最终的线性修正和信号输出，其特点是需要从工艺源头上对SiPM的结构设计和生产工艺进行改进，技术上有一定的实现难度；3)基于SiPM本身对光辐射信号响应的非线性，设计多级运放校正电路对SiPM原始输出的模拟信号进行校准后再输出到后续的信号处理单元：首先分别生成零阶修正信号(Offset)、一阶修正信号(比例放大)、二阶修正信号(平方放大)，然后一并输送到后级放大器进行求和运算后最为最终的输出，其主要缺点是修正电路设计和调试过程比较复杂，耗时较长。

发明内容