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一种高精度单 光子探测器

阅读：65发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种高精度单光子探测器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及激光测距，激光三维成像和天文观测等技术领域，尤其涉及一种高精度单光子探测器，包括光电转换模块、探测电路模块、电源模块以及基于FPGA的分段温控模块和偏压补偿模块，其中光电转换模块连接探测电路模块，偏压补偿模块连接光电转换模块并根据分段温控模块的测量数据对其进行偏压补偿，电源模块为上述模块连接供电；分段温控模块包括制冷腔、半导体制冷片和制冷电源，其中半导体制冷片设置在所述制冷腔内，制冷电源为半导体制冷片连接供电，光电转换模块设置在制冷腔内以控制其工作温度，分段温控模块和偏压补偿模块采用FPGA控制。本实用新型的优点是：可稳定工作的环境温度范围大，探测精度高，性能更稳定。，下面是一种高精度单光子探测器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高精度单光子探测器，其特征在于：包括光电转换模块、探测电路模块、电源模块以及基于FPGA的分段温控模块和偏压补偿模块，其中所述光电转换模块连接所述探测电路模块，所述偏压补偿模块连接所述光电转换模块并根据所述分段温控模块的测量数据对其进行偏压补偿，所述电源模块为上述模块连接供电；所述分段温控模块包括制冷腔、半导体制冷片和制冷电源，其中所述半导体制冷片设置在所述制冷腔内，所述制冷电源为所述半导体制冷片连接供电，所述光电转换模块设置在所述制冷腔内以控制其工作温度，所述分段温控模块和所述偏压补偿模块采用FPGA控制。
2.根据权利要求1所述的一种高精度单光子探测器，其特征在于：所述制冷腔内还设置有环境温度传感器和光电转换模块温度传感器，所述环境温度传感器用于采集环境温度，所述光电转换模块温度传感器用于采集所述光电转换模块温度，所述环境温度传感器和所述光电转换模块温度传感器均与所述FPGA相连接，所述FPGA根据所述环境温度传感器和所述光电转换模块温度传感器的采集数据控制所述半导体制冷片以及所述偏压补偿模块的工作状态。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度单光子探测器，其特征在于：所述光电转换模块采用雪崩光电二极管SPAD。
4.根据权利要求1或2所述的一种高精度单光子探测器，其特征在于：所述偏压补偿模块采用高稳定直流电压模块作为所述光电转换模块的直流偏置电压。
5.根据权利要求1或2所述的一种高精度单光子探测器，其特征在于：所述分段温控模块还包括PID控制器，所述PID控制器连接控制所述半导体制冷片。
6.根据权利要求1所述的一种高精度单光子探测器，其特征在于：所述分段温控模块采用分段温控方式控制所述半导体制冷片的工作状态。
7.根据权利要求1所述的一种高精度单光子探测器，其特征在于：所述探测电路由比较器，主动淬灭和门控电路构成。
8.根据权利要求1所述的一种高精度单光子探测器，其特征在于：所述制冷腔为清洁密封腔体。

说明书全文

一种高精度单 光子探测器

技术领域

[0001] 本实用新型涉及激光测距，激光三维成像和天文观测等技术领域，尤其涉及一种高精度单光子探测器。

背景技术

[0002] 单光子探测器作为一种超高灵敏度的光电转换器件，被广泛应用于远距离激光测距，激光三维成像和天文观测等众多领域。基于雪崩光电二极管（APD）的单光子探测器凭借其在盖革模式工作时具有的高内部雪崩增益，低噪声，低功耗，小尺寸，驱动简单，无需超低温等诸多优点，是实用化的微弱光信号探测器件之一。但是APD实际应用中存在一个不可忽视的问题，其雪崩点电压会随着温度变化，导致雪崩增益发生变化，直接影响到探测效率、暗计数等重要的性能指标，使得测量出现较大误差，严重时甚至可能损毁器件，而目前绝大多数的Si APD单光子探测器都是基于室温设计，工作温度范围有限，这极大地限制了探测器全天候野外条件下的实际应用。发明内容

[0003] 本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种高精度单光子探测器，通过基于FPGA的分段温控模块对光电转换模块的工作温度进行控制并配合偏压补偿模块根据环境温度对光电转换模块进行偏压补偿，从而使单光子探测器在不同环境温度下都可以实现高精度测量。

[0004] 本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

[0005] 一种高精度单光子探测器，其特征在于：包括光电转换模块、探测电路模块、电源模块以及基于FPGA的分段温控模块和偏压补偿模块，其中所述光电转换模块连接所述探测电路模块，所述偏压补偿模块连接所述光电转换模块并根据所述分段温控模块的测量数据对其进行偏压补偿，所述电源模块为上述模块连接供电；所述分段温控模块包括制冷腔、半导体制冷片和制冷电源，其中所述半导体制冷片设置在所述制冷腔内，所述制冷电源为所述半导体制冷片连接供电，所述光电转换模块设置在所述制冷腔内以控制其工作温度，所述分段温控模块和所述偏压补偿模块采用FPGA控制。

[0006] 所述制冷腔内还设置有环境温度传感器和光电转换模块温度传感器，所述环境温度传感器用于采集环境温度，所述光电转换模块温度传感器用于采集所述光电转换模块温度，所述环境温度传感器和所述光电转换模块温度传感器均与所述FPGA相连接，所述FPGA根据所述环境温度传感器和所述光电转换模块温度传感器的采集数据控制所述半导体制冷片以及所述偏压补偿模块的工作状态。

[0007] 所述光电转换模块采用雪崩光电二极管SPAD。

[0008] 所述偏压补偿模块采用高稳定直流电压模块作为所述光电转换模块的直流偏置电压。

[0009] 所述分段温控模块还包括PID控制器，所述PID控制器连接控制所述半导体制冷片。

[0010] 所述分段温控模块采用分段温控方式控制所述半导体制冷片的工作状态。

[0011] 所述探测电路由比较器，主动淬灭和门控电路构成。

[0012] 所述制冷腔为清洁密封腔体。

[0013] 本实用新型的优点是：可稳定工作的环境温度范围大，探测精度高，性能更稳定，解决现有单光子探测器工作温度范围小、稳定性差、时延漂移大的问题。附图说明

[0014] 图1为本实用新型的结构示意图；

[0015] 图2为本实用新型中基于FPGA的分段温控模块和偏压补偿模块示意图；

[0016] 图3为本实用新型中基于FPGA的分段温控模块和偏压补偿模块结构图；

[0017] 图4为本实用新型中探测电路示意图；

[0018] 图5为本实用新型在实施时分段温控设置方式图；

[0019] 图6为本实用新型在环境温度变化下的探测结果图；

[0020] 图7为本实用新型在温度变下的偏压补偿的探测结果图。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

[0022] 实施例：如图1所示，本实施例中的高精度单光子探测器一种单光子探测器，由光电转换模块，探测电路模块，电源模块，基于FPGA的分段温控模块和偏压补偿模块这五个模块构成。其中，光电转换模块采用雪崩光电二极管SAPD，将光电子信号转换为电信号；探测电路模块对上述电信号进行鉴别、整形并输出；基于FPGA的分段温控模块用于对作为光电转换模块的雪崩光电二极管SAPD的工作温度进行控制，保证其处于理想的工作温度范围内；基于FPGA的偏压补偿模块则对于雪崩光电二极管SAPD所输出的电信号进行偏压补偿，保证其精度；而电源模块则分别与上述这些功能模块相连接以提供工作电源。

[0023] 具体而言，如图2所示，基于FPGA的分段温控模块由两个温度传感器、制冷腔、半导体制冷片、PID控制器和制冷电源组成，雪崩二极管SPAD设置在制冷腔中以控制其工作温度恒定。其中，两个温度传感器指的是一个用于采集环境温度的环境温度传感器，以及另一个用于采集雪崩光电二极管SAPD的光电转换模块温度传感器。这两个温度传感器分别通过AD模块与FPGA相连接，FPGA根据这两个传感器所采集的温度信息，通过PID控制器以及DA模块控制设置在制冷腔中的半导体制冷片工作，从而降低制冷腔内的环境温度，进而使雪崩二极管SPAD的工作温度处于理想的工作温度范围内。制冷电源与半导体制冷片相连接用于为其工作供电。基于FPGA的分段温控模块的结构图如图3所示。

[0024] 本实施例中的基于FPGA分段温控模块是采用分段控制的方式来调整制冷腔内的温度，具体而言，如图5所示，当制冷腔内的环境温度处于图示左侧的范围内时，通过半导体制冷片使雪崩二极管SPAD的工作温度处于图示右侧的温度值，从而保证雪崩二极管SPAD的探测精度。

[0025] 在一些实施例中，环境温度传感器和光电转换模块温度传感器均可采用热敏电阻，其中作为环境温度传感器的热敏电阻粘贴在制冷腔的内壁上以采集雪崩二极管SAPD所处环境的环境温度，而作为光电转换模块温度传感器的另一热敏电阻则粘贴在雪崩二极管SAPD的临近位置以精确采集其本身温度。

[0026] 如图2所示，FPGA根据环境温度传感器所采集到的环境温度通过DA模块控制偏压补偿模块对雪崩二极管SPAD所输出的电信号进行偏压补偿，从而提高雪崩二极管SPAD的探测精度。

[0027] 如图4所示，本实施例中的探测电路模块由比较器，主动淬灭和门控电路等构成，基于FPGA的偏压补偿模块接入探测电路模块并通过比较器输出。

[0028] 本实施例在具体实施时：如图6和图7所示，通过在既有的单光子探测器中加装基于FPGA的分段温控模块和偏压补偿模块，从而保证作为光电转换模块的雪崩二极管SPAD能够始终处于一个理想的工作温度下，使其始终能够实现高精度的探测。

[0029] 本实施例中的各模块及各模块中的各电路均可采用市售产品组装构成。

[0030] 虽然以上实施例已经参照附图对本实用新型目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本实用新型作出各种改进和变换故在此不一一赘述。

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