【《光子计数成像方法分析》1700字】

光子计数成像方法分析目录TOC\o"1-3"\h\u15355光子计数成像方法分析 1318721.1基于泊松分布的光子计数概率模型 177811.2基于盖革模式雪崩二极管的光子计数成像方法 21.1基于泊松分布的光子计数概率模型光子具有波粒二象性，光与物质的相互作用是没有规则的，也可以说是随机的，对光的任何测量都会伴随随机涨落，因此光子被探测器吸收的过程也是一个随机过程。当一个随机事件以固定的平均速率随机独立出现时，那么这个事件在单位时间内出现的次数就近似服从泊松分布。GM-APD探测器在探测到一个或多于一个光子时会被触发，经雪崩倍增后完成一次光子计数。在某一次单独的探测事件中，若探测到0个光子数的概率为P，探测到一个及一个以上光子的概率为：Pc=1−P(K=0)(由光子探测半经典理论可知，在一次探测中探测到K个光子的概率满足负二项分布[36]：PK=Г其中K=t1由式(1.1)-(1.2)得，负二项分布下，探测器响应得概率为：Pc=1−P0而在弱光条件下又有KM≪1，所以式(Pc=1−exp⁡假设在(t1PK=1将Mt1,t2Pc=1−exp⁡显然式(1.6)与式(1.4)形式完全相同，即在弱光条件下，到达APD表面的微弱光子信号遵循的就是泊松分布。由于感光像元在单位时间内所接收的光子数目满足泊松分布的概率模型，所以由此产生的光信号电荷量也会有相应的波动，这种波动会造成一种不可避免的噪声——光子散粒噪声。1.2基于盖革模式雪崩二极管的光子计数成像方法要实现单光子级别的光电探测，对光电探测器件的灵敏度和性能要求很高，合适的探测器件对于光子的探测精度和最终得到的灰度图像的效果有很大的影响。光电二极管是常用的单光子探测器件之一，它工作时借助电场作用使结型半导体产生载流子雪崩倍增效应，是一种高灵敏度光电器件。当光电二极管所加偏置电压不同时，它有三种工作模式：光电二极管模式、雪崩模式和盖革模式。其中光电二极管模式只能用来探测较强的光强信号，雪崩模式适合于对灵敏度要求较高且需要快速响应的情况。盖革模式则要求加在光电二极管上的反向偏置电压高于击穿电压，此时电场接近临界击穿电场，进入到耗尽层的一个载流子就具有足够的能量产生自恃雪崩电流。图1.1抑制电路输出电压当工作于盖革模式下的光电二极管产生自恃雪崩电压时要选择适当的抑制电路来熄灭雪崩，因为过高的雪崩电流会导致二极管温度升高甚至损坏，同时温度升高还会降低光子的探测概率，使得输出产生非线性畸变。其次被捕获的载流子释放后还会再次激发雪崩，导致错误信号输出。雪崩抑制和恢复状经历的时间称为死时间，如图1.1所示。所以由盖革雪崩光电二极管构成的单光子计数器只能以门控的工作方式对入射光子进行采样，因此连续入射的光信息被门控周期离散，光子只有位于门控周期内时才能在一定概率下被探测到，而由探测器输出的光子计数值也将是离散的。除了死时间外，关于GM-APD探测器还有几个重要概念[37]：光子探测效率：有些探测器吸收来的初始光子无法触发雪崩，因此光子探测的效率并不是100%。我们把能够触发雪崩并产生光电流的初始光子数与总初始光子数之比定义为探测器的光电子探测效率，也叫雪崩触发概率。η=NcN其中Nc暗计数：在没有光照的条件下，非信号光子触发雪崩引起探测器输出电流（也称为暗电流），由此产生的脉冲计数输出称之为暗计数。雪崩倍增因子：雪崩倍增因子描述的是光电探测器对初始光电流的放大能力。工作于盖革模式的雪崩光电二极管的雪崩倍增因子Ma理论上为无穷大（10响应度：光电流Ip和光功率PP=IpP其中η是光子探测效率，λ是入射光波长，Ma光子计数值与图像像素点灰度之间的关系可以表示为：I=MP(1.其中系数M可以通过实验观测获取。在弱光条件下光子密度分布实际上是光子分布