基于单光子雪崩二极管的成像技术综述

单光子成像技术涉及半导体工艺、光电器件以及集成电路设计等多个方面,基于单光子雪崩二极管的成像技术具有高动态二维灰度成像、高精度三维成像和荧光寿命成像能力,在安防监控、自动驾驶和生物医疗等领域具有广阔的应用前景。伴随着半导体工艺技术的飞速发展,单光子成像技术有望成为应用广泛的下一代视觉感知技术。本文对基于单光子雪崩二极管的成像技术进行了系统的介绍,包括单光子雪崩二极管器件、单光子成像涉及的关键电路以及二维灰度和时间分辨单光子图像传感器的最新研究进展。

γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器性能的影响

对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器(SPADs)进行了总剂量为10 krad(Si)和20 krad(Si)的γ辐照,并进行了原位和移位测试。辐照后,暗电流和暗计数率有轻微的下降,而探测效率和后脉冲概率基本不变。经过一定时间的室温退火后,这些退化基本恢复,这表明瞬态电离损伤在γ辐照对InGaAsP/InP单光子雪崩探测器的损伤中占主导地位。

单光子计数太赫兹雷达直接探测方法与性能研究

针对远距离非合作目标探测,现有太赫兹雷达由于受到发射机功率低、大气衰减效应等因素影响,其作用距离有限,难以满足对目标的预警探测应用需求。为提升太赫兹雷达探测能力,该文研究了基于单光子探测技术的目标超灵敏探测方法,利用单光子探测器替代传统雷达接收机,有望显著提升太赫兹雷达的作用距离。首先,该文分析了太赫兹单光子雷达信号光子数的统计规律,从微观角度阐述了目标的回波特性,进一步,结合超导量子电容探测器的特点,建立了太赫兹单光子目标探测模型;此外,推导得到太赫兹单光子雷达目标检测性能数学表达式,并通过仿真实验对目标检测性能进行了验证和分析,获得了雷达检测性能曲线;最后开展了时间分辨太赫兹光子计数原理验证实验,通过回波脉冲计数的方式实现了目标高精度测距。该文工作将为太赫兹频段超灵敏探测技术及单光子雷达系统的研究与发展提供支撑。

心脏数字化单光子发射型电子计算机断层扫描设备质量控制研究

目的:研究心脏数字化单光子发射型电子计算机断层扫描(SPECT)设备质量控制方法,为制定数字化SPECT设备质量控制标准提供参考。方法:依据美国电器制造商协会《伽玛照相机性能测试》(NEMA NU1-2018)和心脏数字化SPECT设备相关厂家执行的设备日常质量保证的测试方法,采用一种通用质量控制方法,适用于使用半导体碲锌镉(CZT)材料且扫描时探头多角度转动的心脏数字化SPECT设备的质量控制。检测内容包括设备系统能量分辨率、系统均匀性、系统扫描灵敏度、带散射的断层空间分辨力和系统最大计数率5个检测项目。结果:检测结果与厂家要求相比较,系统能量分辨率、系统均匀性、系统扫描灵敏度、带散射的断层空间分辨力和系统最大计数率等5个项目的第1次检测结果分别为5.8%、8%、67811计数/(min·MBq)、4.91 mm和1.8×10^(6)s^(-1),第2次检测结果分别为5.6%、6%、68297计数/(min·MBq)、4.96mm和1.8×10^(6)s^(-1),均符合厂家指标的要求。结论:采用的质量控制方法能够科学并客观评价此类设备的运行状态,可为制定数字化SPECT设备质量控制标准提供数据支持。

单光子发射计算机断层扫描-计算机断层扫描局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后诊断价值

目的探讨单光子发射计算机断层扫描-计算机断层扫描(SPECT-CT)局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后诊断价值。方法回顾性分析2016年12月至2019年2月于郑州大学第一附属医院行125 I粒子植入术胰腺癌患者6例,患者术后48 h内行SPECT-CT上腹部局部断层融合显像。患者术前、术后均行放射治疗计划系统(TPS)计划及验证。结果6例胰腺癌患者SPECT-CT局部断层融合显像显示,胰腺癌肿块内125 I粒子分布均匀,其粒子及周边区域放射性分布均匀,肿块周边正常组织内放射性明显减低,肿块内未见明显放射性分布稀疏区、缺损区,放射性分布与术前TPS计划及术后TPS验证基本一致。其中1例患者腹腔肠道内游离粒子1颗。结论SPECT-CT局部断层融合显像对胰腺癌125 I粒子植入术后肿块内粒子及放射性分布提供良好的影像学信息。

旋转物体的单光子三维重建技术

单光子探测技术具有高灵敏度和高时间分辨率,已成为三维成像领域的重要发展方向。APD单光子探测数据为表征光子脉冲事件的0-1数据,通常需要多次积累,可实现目标三维成像,但旋转物体的运动导致无法直接积累。针对旋转物体三维重建问题,提出了一种基于最大强度图清晰度的旋转物体单光子三维重建方法。首先建立旋转物体的三维重建模型,然后建立关于旋转速度的似然估计模型,最后以强度图的最大清晰度为代价函数求解旋转速度并进行重建。计算机仿真模拟了旋转十字架物体的单光子三维成像探测数据,通过三维重建算法对旋转物体实现了高精度三维重建,并在不同旋转速度下进行仿真验证,实现了不同速度下转速估计误差优于5%,深度重建误差优于0.1 m,验证了重建算法的正确性。

单光子发射计算机断层扫描/计算机断层扫描对腰椎融合术后早期腰背部残余疼痛原因的诊断价值

目的探讨单光子发射计算机断层扫描(SPECT)/计算机断层扫描(CT)对腰椎融合术后早期腰背部残余疼痛原因的诊断价值。方法选择2019年1月至2021年6月黄河三门峡医院收治的106例腰椎融合术后腰背部残余疼痛而未得到解剖影像学明确诊断的患者作为研究对象。采用SPECT/CT显像检查患者疼痛原因,记录SPECT/CT显像检查结果,并以X线检查为金标准分析SPECT/CT对腰椎融合术后早期腰背部残余疼痛原因的诊断价值。结果SPECT/CT显像结果显示,106例患者中共85例(80.19%)显像阳性,其中椎间融合器无菌性炎症反应19例(17.93%),螺钉松动40例(37.73%),撞击综合征26例(24.53%);其余21例(19.81%)显像阴性。106例患者经X线检查证实阳性91例,其余15例为阴性。SPECT/CT显像诊断腰椎融合术后早期腰背部残余疼痛原因的敏感度、特异度、准确率、阳性预测值、阴性预测值分别为93.41%(85/91)、100.00%(15/15)、94.34%(100/106)、100.00%(85/85)、71.43%(15/21),kappa为0.800。结论具有解剖与功能影像的SPECT/CT显像对腰椎融合术后早期腰背部残余疼痛原因诊断价值较高。

单光子探测技术

近年来,以量子密钥分配为代表的各种量子信息技术应用获得了飞速发展,这些应用对单光子探测器的性能提出了非常苛刻的要求,以光电倍增管和雪崩光电二极管为代表的传统单光子探测器件已经无法满足需求。在此背景下,出现了以超导单光子探测器为代表的新型低温单光子探测器件,其性能比现有商用单光子探测器有了本质性的提升。本文综述了迄今为止各种类型的单光子探测器,并指出各自在量子信息技术应用中的优势和不足之处以及发展方向。

室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD),该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增(SAGCM)异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率(PDE)为70%,暗计数率(DCR)为14.93 kHz,后脉冲概率(APP)为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。

基于4H-SiC APD单光子探测的主动淬灭电路研究

为了对比不同类型淬灭电路对4H-SiC雪崩光电二极管(APD)探测性能的影响,采用被动淬灭电路(PQC)和主动淬灭电路(AQC),对两种类型SiC紫外APD进行了单光子探测实验,发现在PQC较长死区时间内,会频发后脉冲现象,导致APD的暗计数率(DCR)较高,从而降低器件的信噪比;对APD后脉冲概率的时间分布进行了研究,并进一步对AQC在更高器件过偏压下单光子探测中出现的问题进行了分析,提出了电路改进方案。结果表明,通过将AQC死区时间调整至45 ns,在相同单光子探测效率下,可将器件DCR减少至原先水平的1/4;通过有效抑制后脉冲和加快APD恢复速度,AQC可使器件展现出更加优越的探测性能。此研究为SiC APD在单光子探测中的应用提供了一定的参考。

基于运算放大器的超导纳米线单光子探测器低温直流耦合读出电路

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有高计数率、高探测效率和低暗计数等优点,在光量子通信、光量子计算、激光测距与成像等领域发挥着重要作用.SNSPD的最大计数率(探测速度)会受前级读出电路的影响,为了提升最大计数率,通常需要使用一个宽带宽的低温直流耦合读出电路.本文报道了基于商用高速运算放大芯片OPA855搭建的SNSPD低温直流耦合放大读出电路,系统表征了该电路从室温300 K到低温4.2 K下的性能参数.通过提升OPA855的工作电压,解决了电路在低温下带宽损失的问题.进一步,将OPA855放大电路安装在40 K温区,使用其实现了SNSPD探测性能的实验评估.相对于常规室温交流耦合电路,SNSPD的最大计数率约提升了1.3倍.本研究可为OPA855芯片在高速SNSPD等低温领域提供相关参考信息.

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。

电场调控增强型背照式单光子雪崩二极管

本研究利用搭建的仿真设计平台开发了一款电场调控增强型背照式单光子雪崩二极管(SPAD)器件,通过调控SPAD雪崩区电场,进一步提升了背照式器件的光子探测效率,降低了暗计数率。仿真结果表明,本研究设计的SPAD在水平和垂直电场的协同作用下,有效提高了电子倍增效率,峰值探测效率达到50.1%,在过偏压为3 V时,暗计数率降低至764 Hz。本文对比分析了不同耗尽层厚度和P-Well半径对电场调控增强型背照式SPAD器件性能的影响,并确定了最优结构尺寸。研究结果为基于SPAD的高精度光电探测应用提供了新的技术途径,为SPAD器件在科学研究和工业应用中的进一步发展奠定了基础。

532nm硅基单光子雪崩管制备及其电压调控效应

硅基单光子雪崩管具备体积小、功耗低、暗计数低、可见光波段量子效率高、探测灵敏度达单光子量级等优势,在交通、医疗和军事等领域有重要应用前景.然而,平面结构硅基单光子雪崩管的暗计数率和可见光-近红外波段单光子探测率仍需提升,掺杂工艺对器件电学特性影响仍较模糊.本文设计并制备了一款可见光-近红外波段具备单光子级探测能力的硅基盖革模式雪崩二极管,雪崩电压为38.1 V,在过偏2.4 V处暗计数率为200 Hz,且532 nm单光子探测效率达到10.56%、850 nm单光子探测效率为6.49%,并通过工艺参数调节实现器件击穿电压调控,调制范围覆盖30~40 V.该器件具备良好的工程应用前景,其光电性能调制效果能进一步应用于硅基盖革管的商业化制造.

单光子雪崩二极管SPICE仿真模型的建立和应用

单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种高效的光子探测器件被广泛应用于量子通信和三维成像等领域。在Cadence中建立了一个SPAD的Spice模型,通过Verilog-A语言,采用两个e指数函数的组合,以连续函数的方式描述了SPAD在盖革模式区等效电阻的动态变化。这两个e指数函数分别体现了高阻区和低阻区的等效电阻特性,解决了分段电阻模型仿真不收敛的问题。该Spice模型模拟了SPAD器件在“接收光子-雪崩产生脉冲-淬灭-复位”工作过程中的动态特性和SPAD从正偏到二次击穿的静态I-V特性。将其应用到4种不同淬灭电路的仿真中,验证了该模型的有效性和稳定性。

全天候工作单光子计数激光雷达

【目的】单光子探测以及单光子测距系统在三维成像和超远距离空间遥感等方向有着广泛的应用。然而,由于器件本身的限制以及太阳光的背景噪声等因素,其应用场景大多处于夜间状态。【方法】文章通过改进传统激光雷达系统,使用全光纤光学系统,利用超窄带宽光纤滤波,大大提高了系统的稳定性,配合机械运动控制实现了超大视角和超高分辨率,且为可以在日间和雾天等光学环境恶劣环境下工作的单光子成像系统。同时,文章所提改进激光雷达系统基于大气穿透性好、传输损耗低的1550 nm波段进行设计,提升了在雾天以及雨天的工作能力。【结果】文章所提系统在能见度为500 m左右的雾天状态实现了1.6 km外物体的三维成像,其成像距离是当时能见度的3倍。配合超高分辨率的时间/数字转换器,并根据激光雷达系统的系统响应函数构建模型,利用最小化负对数似然函数对直方图的强度信息和距离信息进行优化,可以大大提升距离分辨率,相比于最大值法得到的0.05 m的距离分辨率,文章所提系统结合最小化负对数似然函数方法将距离分辨率提升到了0.006 m。同时通过对图像进行正则化处理来抑制光子技术的涨落对成像效果的影响,以此来消除图片中的噪点。【结论】基于1550 nm的全光纤激光雷达系统具备很强的机械稳定性,具备在恶劣天气工作的能力,在远程遥感测绘、地面及车载激光雷达等领域具备极大的应用价值。

单光子激光雷达技术发展现状与趋势

随着单光子探测器件及技术的快速发展,具有光子级高灵敏度探测能力的单光子激光雷达已成为研究热点,并在遥感测绘、智能驾驶和消费电子等领域发挥日益重要的作用。本文聚焦于采用单光子雪崩光电二极管探测器的激光雷达技术与系统,介绍了脉冲累积、编码调制和啁啾调制三种单光子激光雷达探测原理。考虑到单光子探测器与处理算法的重要性,概述了单光子探测器的发展现状,以及典型的信号处理算法,并梳理了单光子激光雷达在远距离探测、复杂场景探感、星载/机载测绘遥感、智能驾驶导航避障和消费电子3D感知等领域的应用情况和典型系统实例。最后,分析展望了单光子激光雷达技术在器件、算法、系统和应用领域的未来发展趋势及面临的潜在挑战。

基于密度与局部统计的单光子点云去噪方法

针对北京遥测技术研究所自主研发的64通道机载单光子激光雷达,提出一种基于密度与局部统计的二维剖面点云去噪方法:在确定信号点云的高程区间后,先使用基于密度的改进空间聚类算法粗去噪,然后使用基于局部统计的统计移除离群点算法精去噪,获取信号点云。实验结果表明,本方法可适用于多种地物类型点云,高程均方根误差为0.27 m,准确率90.78%,精度高于常规点云去噪算法,满足国产机载单光子激光雷达获取高精度地表三维轮廓的技术需求。

单光子激光通信测距一体化系统设计

超导单光子探测技术能够实现光子量级极微弱光接收,是深空探测的关键技术之一,然而光子概率分布产生的脉冲抖动效应造成通信、测距性能恶化。对此,设计了基于脉冲位置调制(pulse position modulation,PPM)调制的单光子激光通信测距一体化系统。根据光子分布特性,提出了脉冲宽度压缩的PPM新波形,降低了脉冲抖动效应对通信可靠性、测距精度的影响。同时,研制了星载端与地面端原理样机,搭建了双向通信与同步转发测距试验验证平台。试验验证结果表明,同等接收功率(-53.2 dBm)条件下,采用1/4脉宽压缩比时,通信接收误码率从4.7×10^(-4)降至5×10^(-10),测距精度从23.61 cm提高至0.91 cm,实现了高可靠通信传输与高精度距离测量。

量子通信中单光子源的制备技术专利布局及发展趋势研究

单光子是指光源激发出单光子与多光子的相对概率。一个光源每次激发出一个光子的同时,零概率激发出多个光子,这样的光源称之为理想的单光子源。当前,随着量子计算、量子密码术以及量子网络等形式的量子信息处理技术高速发展,稳定、高效、可靠的单光子源已经成为了其中一个非常关键的重要前提。在量子信息技术出现之后,就急需要一种新型的单光子源。