tdc及tcspc的技術(shù)原理-TCSPC高精度時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)模塊

TDC技術(shù)和TCSPC技術(shù)都是用來進(jìn)行時(shí)間測量的技術(shù)手段，雖然應(yīng)用范圍大致相同，但是原理卻不同。

TDC原理如右圖所示。來自單光子探測器的光電子信號脈沖和來自激光器的參考脈沖輸入到延遲鏈中。時(shí)序邏輯查看延遲鏈中的數(shù)據(jù)，識別單光子和及激光脈沖的開始-停止對，并以此方式確定單光子在激光脈沖序列中的時(shí)間位置。然后，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，建立通常的TCSPC/FLIM光子分布。

TCSPC技術(shù)所基于的原理是：在記錄低強(qiáng)度、高重復(fù)頻率的脈沖信號時(shí)，由于光強(qiáng)很低，以至于在一個(gè)信號周期內(nèi)探測到一個(gè)光子的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。因此，沒有必要考慮在一個(gè)信號周期內(nèi)探測到幾個(gè)光子的情形。只要記錄這些光子，測量它們在信號周期內(nèi)的時(shí)間，并建立光子時(shí)間分布的直方圖就足夠了。TCSPC技術(shù)的基本原理如圖所示。

探測器的輸出信號是對應(yīng)于探測到單個(gè)光子的隨機(jī)分布的脈沖序列。一般情況下，一個(gè)信號周期內(nèi)探測到多于一個(gè)光子的幾率是很小的，有些信號周期會(huì)探測到一個(gè)光子，也有許多信號周期沒有檢測到光子。當(dāng)探測到一個(gè)光子時(shí)，就可以在信號周期內(nèi)測得與探測器脈沖對應(yīng)的時(shí)間。每記錄一次這樣的事件（光子），就在對應(yīng)的存儲(chǔ)單元中加“1”，該存儲(chǔ)單元的地址與探測時(shí)間對應(yīng)。在記錄了許多光子之后，就可以根據(jù)存儲(chǔ)器中各個(gè)單元的光子數(shù)，得到探測時(shí)間的分布，即光脈沖的波形。乍看起來其原理雖然有點(diǎn)復(fù)雜，但TCSPC在記錄光子信號時(shí)，其時(shí)間分辨率非常高，探測效率接近于理想。

TCSPC可以高精度地測量出單個(gè)光子脈沖的時(shí)間，因此，光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)中的帶寬僅僅受到探測器輸出脈沖的渡越時(shí)間漲落（transit time spread，TTS）的限制，而不受單電子脈沖（single electron response，SER）寬度的限制。由于探測器單光子脈沖的TTS通常比其SER要窄一個(gè)數(shù)量級，因此對特定的探測器，TCSPC技術(shù)可以獲得比任何一種模擬記錄技術(shù)更高的時(shí)間分辨率。

所以對于時(shí)間分辨率（時(shí)間精度）這個(gè)重要參數(shù)，TCSPC比TDC更容易實(shí)現(xiàn)高分辨率技術(shù)。

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