本發(fā)明涉及多光子檢測領域，具體涉及一種多光子計數(shù)系統(tǒng)、方法及裝置。

背景技術(shù)：

基于光電倍增管(SiPM)的多光子檢測技術(shù)可以應用于多個領域，常規(guī)的多光子檢測方法都是需要采用超高采樣率(如1GSps)的數(shù)據(jù)采集卡才能夠?qū)崿F(xiàn)多光子采集與計數(shù)，如NI的PXIE-5160。該方案雖然可行且方便，但是由于目前采樣率達到1GSps以上采樣率的采集卡成本在幾萬元甚至更高，所以成本非常高昂。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明實施例要解決的技術(shù)問題在于現(xiàn)有技術(shù)中的需要采用超高采樣率的數(shù)據(jù)采集卡才能夠?qū)崿F(xiàn)多光子計數(shù)。

為此，本發(fā)明實施例的一種多光子計數(shù)系統(tǒng)，包括：多個比較器，每個比較器的第一輸入端均與光電倍增管的輸出端連接，第二輸入端均接參考電壓，輸出端均與一個二進制計數(shù)器的輸入端連接，用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的參考電壓相等時輸出信號；多個二進制計數(shù)器，多個二進制計數(shù)器的輸入端一一對應地與多個比較器的輸出端連接，多個二進制計數(shù)器的輸出端均與處理器的輸入端連接，二進制計數(shù)器用于在與其相連的比較器有輸出時進行計數(shù)并輸出計數(shù)值；處理器，用于根據(jù)二進制計數(shù)器輸出的計數(shù)值進行計算后獲得光電倍增管捕捉到的光子數(shù)目。

優(yōu)選地，所述多個比較器的個數(shù)為至少四個，其中第一比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第一參考電壓相等時產(chǎn)生第一信號并輸出，所述第一參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到一個光子時輸出的電壓設定；第二比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第二參考電壓相等時產(chǎn)生第二信號并輸出，所述第二參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到兩個光子時輸出的電壓設定；第三比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第三參考電壓相等時產(chǎn)生第三信號并輸出，所述第三參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到三個光子時輸出的電壓設定；第四比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第四參考電壓相等時產(chǎn)生第四信號并輸出，所述第四參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到四個光子時輸出的電壓設定。優(yōu)選地，所述比較器為帶鎖存功能的超高速比較器。

優(yōu)選地，所述比較器為帶鎖存功能的超高速比較器。

優(yōu)選地，所述處理器為低采樣率的數(shù)據(jù)采集裝置。

優(yōu)選地，還包括：放大器，其輸入端與光電倍增管的輸出端連接，其輸出端分別與每個比較器的第一輸入端連接，用于將光電倍增管的輸出信號進行放大并輸出。

本發(fā)明實施例的一種多光子計數(shù)方法，應用于處理器，包括以下步驟：

接收多個二進制計數(shù)器輸出的信號；

根據(jù)接收到所述信號的時間先后順序，獲得多個比較器中有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序；

判斷所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序是否是正常順序，所述正常順序為光電倍增管的輸出信號為單次光子射入的完整響應脈沖時，隨著時間增加所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由小至大順次產(chǎn)生的輸出信號，然后所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由大至小順次產(chǎn)生的輸出信號的時間先后順序；

當所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序是所述正常順序時，獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

優(yōu)選地，還包括以下步驟：

當所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序不是所述正常順序時，獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值和具有最大參考電壓值的比較器的前一有信號輸出的比較器的參考電壓值，其中，所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序不是所述正常順序表示在所述光電倍增管的輸出信號未響應結(jié)束的過程中，有新的光子射入的脈沖引起所述光電倍增管的輸出信號的疊加；

根據(jù)所述前一有信號輸出的比較器的參考電壓值，計算拖尾疊加值；

將最大參考電壓值與拖尾疊加值的差值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

本發(fā)明實施例的一種多光子計數(shù)裝置，應用于處理器，包括：

接收單元，用于接收多個二進制計數(shù)器輸出的信號；

第一獲得單元，用于根據(jù)接收到所述信號的時間先后順序，獲得多個比較器中有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序；

判斷單元，用于判斷所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序是否是正常順序，所述正常順序為光電倍增管的輸出信號為單次光子射入的完整響應脈沖時，隨著時間增加所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由小至大順次產(chǎn)生的輸出信號，然后所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由大至小順次產(chǎn)生的輸出信號的時間先后順序；

第二獲得單元，用于當所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序是所述正常順序時，獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

優(yōu)選地，還包括：

第三獲得單元，用于當所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序不是所述正常順序時，獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值和具有最大參考電壓值的比較器的前一有信號輸出的比較器的參考電壓值，其中，所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序不是所述正常順序表示在所述光電倍增管的輸出信號未響應結(jié)束的過程中，有新的光子射入的脈沖引起所述光電倍增管的輸出信號的疊加；

計算單元，用于根據(jù)所述前一有信號輸出的比較器的參考電壓值，計算拖尾疊加值；

第四獲得單元，用于將最大參考電壓值與拖尾疊加值的差值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明實施例提供的多光子計數(shù)系統(tǒng)，通過設置比較器，將比較器的參考電壓設置成與光電倍增管捕捉到多個光子時輸出的電壓相對應，從而能夠清楚地計數(shù)出光電倍增管一次捕捉到的光子數(shù)目，實現(xiàn)多光子計數(shù)。并且由于計數(shù)是根據(jù)不同參考電壓的比較器是否有輸出值來確定的，無需采用超高采樣率的數(shù)據(jù)采集卡來對光電倍增管輸出電壓值進行采樣，而比較器的價格要遠遠低于超高采樣率的數(shù)據(jù)采集卡，從而大大降低了多光子計數(shù)系統(tǒng)的成本。

2.采用多個比較器和多個計數(shù)器一一對應連接，相對于采用一個多級比較器與一個多輸入的計數(shù)器連接的方式而言，對計數(shù)器的要求比較低，只需要計數(shù)器在接收到信號時產(chǎn)生計數(shù)，根據(jù)比較器輸出的信號順序及計數(shù)器的變化類判斷入射光子的變化，而不用根據(jù)比較器的值來確定(采用一個多級比較器與一個多輸入的計數(shù)器連接需要根據(jù)多級比較器的輸出電壓值來確定入射光子變化)，簡化了處理邏輯，大大降低了比較器和計數(shù)器的設計難度以及成本。

3.本發(fā)明實施例提供的多光子計數(shù)方法及裝置，通過判斷多個比較器中有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的先后順序是否是正常順序，可以在計算新捕捉到多光子的數(shù)目時，消除之前脈沖響應拖尾的影響，從而提高了多光子計數(shù)的精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例1中多光子計數(shù)系統(tǒng)的一個具體示例的原理框圖；

圖2為本發(fā)明實施例1中多光子計數(shù)系統(tǒng)的另一個具體示例的原理框圖；

圖3為本發(fā)明實施例2中疊加現(xiàn)象的光電倍增管輸出信號的示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是無線連接，也可以是有線連接。對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發(fā)明不同實施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

實施例1

本實施例提供一種多光子計數(shù)系統(tǒng)，如圖1所示，包括：多個比較器1、多個二進制計數(shù)器2和處理器3。多個可以是兩個、三個、四個甚至更多個，所以對于比較器的個數(shù)限于下面舉例的四個。下面以比較器1、二進制計數(shù)器2的個數(shù)為四個來進行舉例說明。

四個比較器1，每個比較器的第一輸入端均與光電倍增管的輸出端連接，第二輸入端均接參考電壓，輸出端均與一個二進制計數(shù)器的輸入端連接；參考電壓的設置可以通過多次試驗來獲得最優(yōu)值，例如，可以依據(jù)光電倍增管捕捉到一個、兩個、……、多個光子時輸出的電壓設定。優(yōu)選地，如圖1所示，由上往下依次為第四、第三、第二、第一比較器，第一比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第一參考電壓相等時產(chǎn)生第一信號并輸出，所述第一參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到一個光子時輸出的電壓設定；第二比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第二參考電壓相等時產(chǎn)生第二信號并輸出，所述第二參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到兩個光子時輸出的電壓設定；第三比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第三參考電壓相等時產(chǎn)生第三信號并輸出，所述第三參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到三個光子時輸出的電壓設定；第四比較器用于在其第一輸入端輸入的電壓與其第二輸入端輸入的第四參考電壓相等時產(chǎn)生第四信號并輸出，所述第四參考電壓依據(jù)光電倍增管捕捉到四個光子時輸出的電壓設定；優(yōu)選地，比較器的參考電壓可以通過DAC來設置和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)的變化。優(yōu)選地，參考電壓的具體值對應于實驗中實際測試值的統(tǒng)計平均值，以提高比較精度。優(yōu)選地，比較器1為帶鎖存功能的超高速比較器，例如可以采用型號為MAX9692的比較器。

四個二進制計數(shù)器2，四個二進制計數(shù)器的輸入端一一對應地與四個比較器的輸出端連接，四個二進制計數(shù)器的輸出端均與處理器的輸入端連接，二進制計數(shù)器用于在與其相連的比較器有輸出時進行計數(shù)并輸出計數(shù)值；優(yōu)選地，如圖1所示，由上往下依次為第四、第三、第二、第一二進制計數(shù)器，第一二進制計數(shù)器的輸入端與第一比較器的輸出端連接，第二二進制計數(shù)器的輸入端與第二比較器的輸出端連接，第三二進制計數(shù)器的輸入端與第三比較器的輸出端連接，第四二進制計數(shù)器的輸入端與第四比較器的輸出端連接。例如，二進制計數(shù)器的型號可以為SN54AS867。

處理器3，用于根據(jù)二進制計數(shù)器輸出的計數(shù)值進行計算后獲得光電倍增管捕捉到的光子數(shù)目。優(yōu)選地，處理器為低采樣率的數(shù)據(jù)采集裝置，例如，數(shù)字I/O卡。本實施例中，處理器3可以是FPGA,也可以是CPLD/DSP/ARM/MCU等等。

當有一個光子被光電倍增管捕捉到時，只有第一比較器有輸出信號，其他比較器(例如第二、第三、第四比較器等)均無輸出信號。當有兩個光子被光電倍增管捕捉到時，先第二比較器有輸出信號，再第一比較器有輸出信號，其他比較器(例如第三、第四比較器等)均無輸出信號。當有三個光子被光電倍增管捕捉到時，先第三比較器有輸出信號，再第二比較器有輸出信號，再第一比較器有輸出信號，其他比較器(例如第四比較器等)均無輸出信號。當有四個光子被光電倍增管捕捉到時，先第四比較器有輸出信號，再第三比較器有輸出信號，再第二比較器有輸出信號，再第一比較器有輸出信號，其他比較器(例如第五比較器等)均無輸出信號。

上述多光子計數(shù)系統(tǒng)，通過設置比較器，將比較器的參考電壓設置成與光電倍增管捕捉到四個光子時輸出的電壓相對應，從而能夠清楚地計數(shù)出光電倍增管一次捕捉到的光子數(shù)目，實現(xiàn)多光子計數(shù)。并且由于計數(shù)是根據(jù)不同參考電壓的比較器是否有輸出值來確定的，無需采用超高采樣率的數(shù)據(jù)采集卡來對光電倍增管輸出電壓值進行采樣，而比較器的價格要遠遠低于超高采樣率的數(shù)據(jù)采集卡，從而大大降低了多光子計數(shù)系統(tǒng)的成本。

本發(fā)明實施例通過利用多個比較器的方式，從而相當于在時域或者時間軸上面將一個脈沖響應的峰值不斷的捕捉到，從而相對精確的還原出脈沖的真實峰值，來計算和判斷光子數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)通常采用超高速數(shù)據(jù)采集卡(比如采樣頻率在1Gps以上)，但是這樣的成本真的很高，這樣參數(shù)的商業(yè)采集卡，單個通道的采集卡成本已經(jīng)很高，當多路采集的時候，成本更高。本發(fā)明實施例則可以作為一個低成本方案來進行多光子技術(shù)，在時間軸上，不同參考電壓的比較器產(chǎn)生輸出，最終也可以在時間軸上還原出響應脈沖的大致波形，或者對應的最大峰值。

本實施例中，采用多個比較器和多個計數(shù)器一一對應連接，相對于采用一個多級比較器與一個多輸入的計數(shù)器連接的方式而言，對計數(shù)器的要求比較低，只需要計數(shù)器在接收到信號時產(chǎn)生計數(shù)，根據(jù)比較器輸出的信號順序及計數(shù)器的變化類判斷入射光子的變化，而不用根據(jù)比較器的值來確定(采用一個多級比較器與一個多輸入的計數(shù)器連接需要根據(jù)多級比較器的輸出電壓值來確定入射光子變化)，簡化了處理邏輯，大大降低了比較器和計數(shù)器的設計難度以及成本。

優(yōu)選地，如圖2所示，多光子計數(shù)系統(tǒng)還包括：放大器4，其輸入端與光電倍增管的輸出端連接，其輸出端分別與每個比較器的第一輸入端連接，用于將光電倍增管的輸出信號進行放大并輸出，實現(xiàn)對輸出信號的固定增益放大，以提高信噪比和多光子計數(shù)精度。

實施例2

本實施例提供一種多光子計數(shù)方法，例如應用于上述實施例1中的處理器，多光子計數(shù)方法包括以下步驟：

S1、接收多個二進制計數(shù)器2輸出的信號；

S2、根據(jù)接收到多個二進制計數(shù)器2輸出的信號的時間先后順序，獲得多個比較器1中有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序；

S3、判斷有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序是否是正常順序，正常順序為光電倍增管的輸出信號為單次光子射入的完整響應脈沖時，隨著時間增加所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由小至大順次產(chǎn)生的輸出信號，然后所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由大至小順次產(chǎn)生的輸出信號的時間先后順序；例如，光電倍增管的輸出信號為單次光子射入的完整響應脈沖時，第一比較器、第二比較器、第三比較器、第四比較器依次輸出信號，相應地，第一比較器連接的計數(shù)器、第二比較器連接的計數(shù)器、第三比較器連接的計數(shù)器、第四比較器連接的計數(shù)器依次增加計數(shù)，然后，第四比較器有輸出信號，再第三比較器有輸出信號，再第二比較器有輸出信號，再第一比較器有輸出信號，相應地，第四比較器連接的計數(shù)器、第三比較器連接的計數(shù)器、第二比較器連接的計數(shù)器、第一比較器連接的計數(shù)器依次增加計數(shù)。當是正常順序時，進入步驟S4；當不是正常順序，即非正常順序時，進入步驟S5，其中，所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序不是所述正常順序表示在所述光電倍增管的輸出信號未響應結(jié)束的過程中，有新的光子射入的脈沖引起所述光電倍增管的輸出信號的疊加。當光電倍增管的一個脈沖響應未結(jié)束而又捕捉到新的光子時，就會出現(xiàn)輸出信號產(chǎn)生疊加的現(xiàn)象，疊加現(xiàn)象的光電倍增管輸出信號如圖3所示。舉例來說，產(chǎn)生疊加現(xiàn)象后，如原本在第三比較器有輸出后，接下來應該是第二、第一比較器有輸出，那么現(xiàn)在在第三比較器有輸出后，接下來有更高參考電壓的第四比較器有輸出，從而認定為該第四比較器的輸出表示有新的光子被捕捉到，新的光子的幅值為新被采集到的光子的脈沖響應幅值和之前脈沖響應拖尾的疊加值。

S4、獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

S5、獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值和具有最大參考電壓值的比較器的前一有信號輸出的比較器的參考電壓值；

S6、根據(jù)前一有信號輸出的比較器的參考電壓值，計算拖尾疊加值；

S7、將最大參考電壓值與拖尾疊加值的差值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

上述多光子計數(shù)方法，通過判斷多個比較器中有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的先后順序是否是正常順序，可以在計算新捕捉到多光子的數(shù)目時，消除之前脈沖響應拖尾的影響，從而提高了多光子計數(shù)的精度。

實施例3

對應于實施例2，本實施例提供一種多光子計數(shù)裝置，例如應用于上述實施例1中的處理器，多光子計數(shù)裝置包括：

接收單元，用于接收多個二進制計數(shù)器2輸出的信號；

第一獲得單元，用于根據(jù)接收到信號的時間先后順序，獲得多個比較器1中有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序；

判斷單元，用于判斷所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序是否是正常順序，所述正常順序為光電倍增管的輸出信號為單次光子射入的完整響應脈沖時，隨著時間增加所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由小至大順次產(chǎn)生的輸出信號，然后所述多個比較器(1)中有信號輸出的比較器按照參考電壓由大至小順次產(chǎn)生的輸出信號的時間先后順序；

第二獲得單元，用于當有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序是是正常順序時，獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

第三獲得單元，用于當有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序不是正常順序時，獲得有信號輸出的比較器中最大參考電壓值和具有最大參考電壓值的比較器的前一有信號輸出的比較器的參考電壓值，其中，所述有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的時間先后順序不是所述正常順序表示在所述光電倍增管的輸出信號未響應結(jié)束的過程中，有新的光子射入的脈沖引起所述光電倍增管的輸出信號的疊加；

計算單元，用于根據(jù)前一有信號輸出的比較器的參考電壓值，計算拖尾疊加值；

第四獲得單元，用于將最大參考電壓值與拖尾疊加值的差值作為光電倍增管捕獲到新的多個光子后產(chǎn)生輸出信號幅值所對應的值，并計算獲得捕獲到新的多個光子的數(shù)目。

上述多光子計數(shù)裝置，通過判斷多個比較器中有信號輸出的比較器產(chǎn)生輸出信號的先后順序是否是正常順序，可以在計算新捕捉到多光子的數(shù)目時，消除之前脈沖響應拖尾的影響，從而提高了多光子計數(shù)的精度。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。