基于雪崩光电二极管的紫外单光子计数成像系统设计

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紫外单光子探测技术是一种新兴的光电探测技术,可广泛用于国防、工农业生产、科学探索、环境监测等领域。开展基于SiC紫外单光子探测器的成像系统研究对推动该项技术的广泛应用具有重要意义。本文基于1×8 SiC APD日盲紫外线阵探测器组件研制了一个工作波段覆盖240nm~280nm的紫外成像系统,同时考虑到APD的可靠性设计了相应的像素保护电路。首先分析了地表太阳辐射特性及其对日盲紫外探测系统性能的影响,同时介绍了光机扫描成像原理及APD工作原理,然后阐述了保护电路对于APD阵列的重要性,并对比分析了几种用于高压保护的器件与典型结构。在紫外成像系统设计中,根据APD线阵规模和成像目标特性采用串并混合扫描的方式并通过二维转台实现物体扫描,在紫外光探测模块中的保护电路设计中,采用了一种二极管与电阻交叉组合的箝位保护电路结构,并分别使用普通二极管与齐纳二极管作为钳位结构进行对比研究,最后基于CSMC 0.18μm高压工艺完成电路与版图设计;在前置光学系统中分别采用紫外镜头和滤光片进行光学聚焦和屏蔽太阳光背景辐射,在数据采集系统中采用基于数据采集卡和上位机的波形数字化技术实现对芯片数据的采集,同时通过APD阵列和CCD相机分别获取紫外光图像和可见光图像,最终完成了整体系统的装配。此外还通过LabVIEW软件平台设计了用于实现位移台扫描、数据实时采集和图像显示等功能的成像系统控制程序。在高压保护电路中,通过测试验证了保护结构的有效性,即当输入电压值为170V时,两种类型的保护电路输出电压值均小于MOS管栅氧击穿电压,其中齐纳二极管的保护效果更好;在成像系统演示实验中,初步验证了系统能够感应紫外光并实现光子计数成像,同时可以分辨出两个光源的相对位置并确定紫外光在背景图像中的相对位置,为读出电路芯片测试提供了环境,最后针对存在的不足点给出了相应的设计改进策略。
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