CN109283569A - 用于测量光子信息的装置和光子测量设备 - Google Patents
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Abstract
公开一种用于测量光子信息的装置和光子测量设备。装置包括：信号转换模块，用于将光电传感器输出的初始信号转换为电压形式的转换信号；积分比较模块，用于对初始信号和来自负反馈模块的反馈信号的差进行积分，并基于积分信号与转换信号的结合结果与参考电平之间的大小关系生成比较信号，积分信号为用于代表初始信号和反馈信号的差的积分的信号；传输控制模块，用于利用时钟信号控制比较信号的传输以输出数字信号；负反馈模块，用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分比较模块；测量模块，用于根据比较信号和/或数字信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间。上述装置和设备所需电路元件少，可实现高精度时间测量。
Description
技术领域
本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种用于测量光子信息的装置和光子测量设备。
背景技术
在高能光子(X射线、伽玛光子等)测量***的前端检测装置一般包含闪烁晶体、光电检测器(或称光电传感器)和光子测量前端电路三部分。高能光子与闪烁晶体相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路的主要目的是通过测量光电传感器产生的电信号，来获取高能光子的能量和到达时间。例如，在正电子发射成像(PET)及单光子发射成像(SPECT)***中，伽玛光子与闪烁晶体，例如硅酸钇镥(LYSO)晶体，相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器，例如光电倍增管(PMT)或者硅光电倍增管(SiPM)等，把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路测量光电传感器产生的电信号，获取伽玛光子的能量和到达时间。
为了避免常规技术中的通过模数转换器(ADC)采样计算出来的能量受光电传感器输出的电信号的起始时间的影响的问题，目前提出一种改进的光子测量前端电路，其利用积分模块对光电传感器输出的电信号进行积分，当积分模块中累积的电荷达到一定量时，可以触发脉冲信号。然后可以基于脉冲信号获得高能光子的能量和到达时间等信息。
利用改进的光子测量前端电路测量高能光子的到达时间时，存在以下问题。研究证明，通过测量高能光子作用到闪烁晶体上时产生的前几个可见光子发生的时间，可以取得最佳的时间分辨率。因此，在改进的光子测量前端电路中，期望通过设定***参数，使得在积分模块累积了n个(例如5个)可见光子产生的电荷后触发，生成可用于时间测量的脉冲信号。然而，这种方法不一定能够取得最佳的时间分辨率，原因如下：(1)、大部分诸如SiPM的光电传感器对单可见光子的响应时间较长，产生的电荷需要较长时间才能够全部被积分模块收集到。这样，多个可见光子产生的电信号的波形在时间上可能存在重叠。也就是说，可能在积分模块尚未完全完成对第一个可见光子产生的电信号的积分时，已经接收到第二个可见光子产生的电信号并开始对该电信号进行积分。因此，积分模块累积n个可见光子产生的电荷并触发脉冲信号的时间，长于第n个可见光子实际发生的时间。例如，n＝5时，触发时间可能为第十几甚至第几十个可见光子发生的时间。(2)、在目前的技术条件下，诸如SiPM的光电传感器中的暗事件率较高。暗事件产生的电荷会累积在积分模块中。当高能光子作用到闪烁晶体上时，如果积分模块已经累积了m个暗事件产生的电荷，触发理论上发生在积分模块累积了第n-m个可见光子产生的电荷后，而不是第n个。由于暗事件和高能光子都是随机出现的，因此m的值可能在0～n-1的范围内均匀分布。因此，产生可用于时间测量的脉冲信号时，由高能光子导致的在积分模块中累积的电荷，不一定是n个可见光子产生的电荷，而可能是在1～n的范围内的任意数目的可见光子产生的电荷。也就是说，用于判定高能光子的到达时间的电荷基线可能发生漂移，因此测量得到的到达时间与实际到达时间相比也可能发生漂移。由于上述原因，利用改进的光子测量前端电路测量高能光子的到达时间时，测量精度可能受到影响。
因此，需要提供一种用于测量光子信息的装置，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于测量光子信息的装置和光子测量设备。
根据本发明的一个方面，提供一种用于测量光子信息的装置。该装置包括信号转换模块、积分比较模块、传输控制模块、负反馈模块、测量模块，其中，信号转换模块用于连接光电传感器，并将光电传感器输出的初始信号转换为电压形式的转换信号；积分比较模块连接负反馈模块的输出端和信号转换模块，并用于连接光电传感器，积分比较模块用于对初始信号和来自负反馈模块的反馈信号的差进行积分，并基于积分信号与转换信号的结合结果与参考电平之间的大小关系生成比较信号，积分信号为用于代表初始信号和反馈信号的差的积分的信号；传输控制模块的输入端连接积分比较模块的输出端，传输控制模块用于利用时钟信号控制比较信号的传输以输出数字信号，其中数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平；负反馈模块的输入端连接传输控制模块的输出端，负反馈模块用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分比较模块；测量模块的输入端连接积分比较模块的输出端和/或传输控制模块的输出端，测量模块用于根据比较信号和/或数字信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间。
示例性地，积分比较模块包括积分模块和比较器，信号转换模块进一步用于基于初始信号生成第一转换信号且/或基于初始信号生成第二转换信号，积分模块的输入端连接负反馈模块的输出端并用于连接光电传感器，积分模块的输出端连接比较器的第一输入端或在积分比较模块包括附加模块的情况下连接附加模块的输入端，积分模块用于对初始信号和反馈信号的差进行积分，附加模块的输出端连接比较器的第一输入端，附加模块用于对积分模块输出的信号进行附加处理，并输出经处理的信号；比较器用于将第一输入端接收的第一输入信号与其第二输入端接收的第二输入信号相比较，以生成比较信号，其中，第一输入信号为Ca*Va+Cb1*Vb1，其中，Va为积分信号，Ca为Va的放大系数，Vb1为第一转换信号，Cb1为Vb1的放大系数，其中，Ca不为0，Cb1*Vb1与Ca*Va同相；第二输入信号为Cb2*Vb2+Vr，其中，Vb2为第二转换信号，Cb2为Vb2的放大系数，Vr为参考电平，其中，Cb2与Cb1不同时为0，Cb2*Vb2与Ca*Va反相；结合结果为Ca*Va+Cb1*Vb1-Cb2*Vb2。
示例性地，积分模块包括运算放大器，运算放大器的反相输入端连接负反馈模块的输出端并用于连接光电传感器；信号转换模块的输出端连接运算放大器的正相输入端和/或运算放大器的反相输入端，信号转换模块用于将第一转换信号输出至运算放大器的正相输入端和/或将第二转换信号输出至运算放大器的反相输入端。
示例性地，附加模块包括第一求和模块，第一求和模块的输入端连接积分模块的输出端和信号转换模块的输出端，第一求和模块用于对积分模块输出的积分输出信号与第一转换信号求和并生成第一求和信号，其中，积分输出信号为Va+CxVb1，Cx为积分模块对Vb1进行放大的放大系数，Cx≥0；比较器的第一输入端连接第一求和模块的输出端，第一求和信号为第一输入信号。
示例性地，第一求和模块由无源求和电路、同相求和电路或反相求和电路实现。
示例性地，比较器的第二输入端用于接收参考电平作为第二输入信号。
示例性地，参考电平为地电平，比较器的第二输入端连接信号转换模块的输出端，第二输入端用于接收第二转换信号作为第二输入信号。
示例性地，积分比较模块还包括第二求和模块，第二求和模块的输入端连接信号转换模块的输出端并用于接入初级电平，第二求和模块用于对第二转换信号与初级电平求和并生成第二求和信号，其中，参考电平Vr为Cri*Vri，Vri为初级电平，Cri为第二求和模块对初级电平进行放大的放大系数；比较器的第二输入端连接第二求和模块的输出端，第二输入端用于接收第二求和信号作为第二输入信号。
示例性地，第二求和模块由无源求和电路、同相求和电路或反相求和电路实现。
示例性地，信号转换模块包括第一转换模块和/或第二转换模块，第一转换模块和第二转换模块分别用于生成第一转换信号和第二转换信号。
示例性地，第一转换模块包括第一初级转换模块和第一微分模块，其中，第一初级转换模块用于将初始信号转换为电压形式的第一初级信号；第一微分电路用于对第一初级信号进行微分，以获得第一转换信号。
示例性地，第二转换模块包括第二初级转换模块和第二微分模块，其中，第二初级转换模块用于将初始信号转换为电压形式的第二初级信号；第二微分电路用于对第二初级信号进行微分，以获得第二转换信号。
示例性地，测量模块通过以下方式确定到达时间：根据比较信号和/或数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效事件的发生时间，并根据在有效事件发生时段内比较信号中的首个高电平或首个低电平的出现时间和/或在有效事件发生时段内数字信号中首个高电平或首个低电平的出现时间确定到达时间。
示例性地，测量模块还用于根据比较信号和/或数字估计时间漂移量，并基于时间漂移量对到达时间进行修正。
示例性地，测量模块还用于根据比较信号和/或数字信号进行高能光子的能量测量、暗电流测量、波形测量和增益测量中的一项或多项。
根据本发明另一方面，提供一种光子测量设备，包括闪烁晶体、光电传感器以及上述用于测量光子信息的装置。
根据本发明实施例的用于测量光子信息的装置和光子测量设备，其电路结构比较简单，硬件成本低。根据本发明实施例的装置和设备可以改善由于初始信号的波形重叠和基线漂移而导致的时间测量可能不准确的问题，其时间性能较好，能够获得较准确的时间测量结果。
在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1示出根据一个示例的改进的光子测量前端电路的示意性框图；
图2示出根据本发明一个实施例的用于测量光子信息的装置的示意性框图；
图3示出根据本发明一个实施例的用于测量光子信息的装置中的部分电路部件的示意图；以及
图4示出根据本发明一个实施例的、与初始信号对应的电压信号(第一初级信号)和第一微分信号的波形示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
如上文所述，为了避免常规技术中的通过ADC采样计算出来的能量受光电传感器输出的电信号的起始时间的影响的问题，目前提出一种改进的光子测量前端电路。图1示出根据一个示例的改进的光子测量前端电路100的示意性框图。应该注意，本文附图中示出的箭头方向是信号的传输方向，而不一定是信号的流动方向。
如图1所示，改进的光子测量前端电路100包括积分模块110、比较器120、传输控制器130、负反馈模块140和测量模块150。
积分模块110用于连接光电传感器(未示出)的输出端和负反馈模块140的输出端。积分模块110可以接收来自光电传感器的初始信号和来自负反馈模块140的反馈信号，对初始信号和反馈信号的差进行积分并且输出积分信号。
比较器120的一个输入端连接积分模块110的输出端并且比较器120的另一输入端接入一个参考电平。比较器120可以将积分信号与参考电平进行比较并生成比较信号。例如，当积分信号的电平值高于参考电平时，比较器120可以输出高电平，当积分信号的电平值等于或小于参考电平时，比较器120可以输出低电平。因此，比较器120输出的比较信号中可以只存在高电平和低电平两种状态。
传输控制器130的输入端连接比较器120的输出端。传输控制器130可以利用时钟信号控制比较信号的传输以输出数字信号。其中，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。在一个示例中，第一逻辑电平可以是逻辑电平“1”，第二逻辑电平可以是逻辑电平“0”，则数字信号是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。
负反馈模块140的输入端连接传输控制器130的输出端，负反馈模块140可以将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分模块110。所述反馈信号与初始信号的流动方向相反。
可以理解，当有效事件或暗事件发生时，一开始获得的积分信号比较小，比较信号和数字信号可以一直处于低电平状态。当积分信号的电平值大于参考电平时，比较信号中出现一个高电平。随后，数字信号中也会出现一个高电平。可以将有效事件发生时在比较信号或数字信号中的第一个高电平出现的时间作为高能光子的到达时间。本文所述的有效事件是指高能光子(例如伽玛光子等)在与光电传感器相连的闪烁晶体中作用而引起的在光电传感器中产生电流信号的事件，暗事件是指噪声(通常是热电子)引起的在光电传感器中产生电流信号的事件。在发生有效事件或暗事件时，光电传感器可以输出一个脉冲电流信号(即初始信号)。有效事件产生的电流信号的能量远大于暗事件产生的电流信号的能量，前者通常是后者的几十至几千倍。因此，通过分析光电传感器输出的电流信号的能量可以确定发生的事件是有效事件还是暗事件。
测量模块150可以利用数字信号测量高能光子的能量、到达时间等各种信息。
如上文所述，通过测量高能光子作用到闪烁晶体上时(即有效事件发生时)产生的前几个可见光子发生的时间，可以取得最佳的时间分辨率。根据改进的光子测量前端电路100的工作原理，通过设定比较器120的参考电平可以控制在比较信号或数字信号中的第一个高电平出现时需要在积分模块110中累积的电荷。因此，期望的是，通过将参考电平设定为等于n个可见光子产生的电信号在积分模块110中进行积分获得的积分信号的电平值能够取得最佳的时间分辨率。然而，由于上文所述的两方面因素，采用这种方式可能难以获得理想的时间测量精度。
为解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供一种用于测量光子信息的装置。图2示出根据本发明一个实施例的用于测量光子信息的装置200的示意性框图。
如图2所示，装置200包括信号转换模块210、积分比较模块220、传输控制模块230、负反馈模块240和测量模块250。
信号转换模块210用于连接光电传感器，并将光电传感器输出的初始信号转换为电压形式的转换信号。在一个示例中，信号转换模块210可以由电阻实现。该电阻可以串联在光电传感器(例如SiPM)的阴极或阳极上。可选地，可以使用SiPM偏置电路中通常配置的限流电阻作为信号转换模块210。
可选地，本文所述的光电传感器可以是任何合适的光电传感器，诸如SiPM、PMT、雪崩光电二极管(APD)等。另外，本文所述的光电传感器可以是传感器微元、传感器单元、传感器阵列等各种规模下的光电检测器件，而不局限于一个完整的独立传感器。本领域技术人员可以理解，在PET***中，当发生正电子湮灭时，会产生一对伽玛光子。闪烁晶体受到伽玛光子的撞击时，光电传感器会输出初始信号，该初始信号通常是脉冲电流信号。光电传感器可以将该初始信号输出到装置200，以便由装置200通过测量该初始信号来获得伽玛光子的能量信息、时间信息等，进而获得关于正电子湮灭事件的信息。
积分比较模块220连接负反馈模块240的输出端和信号转换模块210，并用于连接光电传感器，积分比较模块220用于对初始信号和来自负反馈模块240的反馈信号的差进行积分，并基于积分信号与转换信号的结合结果与参考电平之间的大小关系生成比较信号，积分信号为用于代表初始信号和反馈信号的差的积分的信号。
结合结果是积分信号与转换信号综合作用的结果。示例性地，结合结果可以是积分信号本身或积分信号经过诸如放大之类的处理后得到的对应信号与转换信号本身或转换信号经过诸如放大之类的处理后得到的对应信号的和或差。需要理解的是，在某些情况下，结合结果可以是由电路实际生成的信号。在另外一些情况下，结合结果是一种便于描述的概念性词语，而非实际生成的信号。
示例性地，当结合结果的电压值大于参考电平时，积分比较模块220可以输出高电平，当结合结果的电压值等于或小于参考电平时，积分比较模块220可以输出低电平。因此，积分比较模块220输出的比较信号中可以只存在高电平和低电平两种状态。通常，光电传感器输出的初始信号是随时间变化的脉冲电流信号，在这种情况下，积分信号以及转换信号也是随时间变化的信号，对应地，结合结果也是随时间变化的信号。因此，积分比较模块220输出的比较信号是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。示例性地，当结合结果的电压值大于参考电平时，积分比较模块220可以输出一个脉冲至传输控制模块230，该脉冲即为比较信号。可选地，参考电平可以是地电平。参考电平可以具有任何合适的电压值。参考电平是地电平的实现方式较简单，最终获得的测量结果较准确。
传输控制模块230的输入端连接积分比较模块220的输出端，传输控制模块230用于利用时钟信号控制比较信号的传输以输出数字信号，其中数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。
如上文所述，比较信号可以是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。在比较信号中，高电平和低电平的持续时间可能是实时变化的，是无法确定的。因此，可以通过传输控制模块230对比较信号进行时间上的量化，使得每段连续的高电平或低电平的持续时间都是时钟信号的周期的整数倍。这种时间上的量化相当于模数转换过程中的时间离散化。在传输控制模块230输出的数字信号中，持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。在一个示例中，第一逻辑电平可以是逻辑电平“1”，第二逻辑电平可以是逻辑电平“0”，则数字信号是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。假设时钟信号的频率为100Hz，即周期为0.01s，则在数字信号中，单个“1”或“0”的持续时间是0.01s。另外，可以理解的是，当多个“1”或多个“0”连续出现时，该多个“1”或多个“0”的持续时间是0.01s的整数倍。传输控制模块230可以是寄存器或受时钟信号控制的开关电路等。
负反馈模块240的输入端连接传输控制模块230的输出端，负反馈模块240用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分比较模块220。
负反馈模块240可以包括数模转换器(DAC)，用于对数字信号进行数模转换以将其转换为模拟信号。具体地，该DAC可以是1位的DAC，以将传输控制模块230输出的由“1”和“0”组成的序列转换为模拟信号，例如转换为幅度随时间变化的电压信号。负反馈模块230可以进一步包括电流输出电路(可视作一个“受控电流源”)，例如由一个电阻组成的电流输出电路。DAC经由电流输出电路连接到积分比较模块220的输入端。电流输出电路基于上述电压信号产生一个电流信号，即反馈信号。所述DAC和电流输出电路也可以简单地由一个电阻实现，传输控制模块230所输出的数字信号是一种电压信号，其经过该电阻即可转换为电流信号，即反馈信号。所述反馈信号与初始信号方向相反，其与初始信号在积分比较模块220上的累积作用互相抵消，能够避免积分信号过大，以保持电路稳定。可选地，负反馈模块240连接测量模块250。测量模块250可以进一步用于调整负反馈模块240输出的反馈信号的幅值。
在不考虑转换信号的情况下，由于反馈信号与初始信号的累积作用正负相消，所以当初始信号的脉冲持续时间已经结束并且反馈信号的幅度稳定在零(即针对初始信号的负反馈作用已经停止)时，初始信号引发的反馈信号的累加值可以视作初始信号的累加值。又由于，反馈信号的累加值与数字信号中“1”的个数成正比。因此，可以利用数字信号来计算高能光子的能量。当然，也可以利用比较信号来计算高能光子的能量，只需在后续的测量模块250中加入与传输控制模块230相同的电路。反馈信号的幅度可以根据实际需要来确定，本发明不对此进行限制。
测量模块250的输入端连接积分比较模块220的输出端和/或传输控制模块230的输出端，测量模块250用于根据比较信号和/或数字信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间。
测量模块250可以与积分比较模块220和传输控制模块230中的任一者或两者连接。在图2中，主要示出测量模块250与传输控制模块230连接，测量模块250与积分比较模块220之间的连接线用虚线表示。
测量模块250可以包括任何合适的能够根据比较信号和/或数字信号测量到达时间的硬件、软件和/或固件，例如时间数字转换器(TDC)等。例如，可以采用FPGA(现场可编程门阵列)数字***的时钟直接记录上升沿(或下降沿)的出现时间，或者采用高精度的模拟TDC或数字TDC(例如基于FPGA延迟线的数字TDC)来进行时间测量。
本领域技术人员可以理解，当有效事件发生时，对应的初始信号是具有比较陡峭的峰的脉冲信号。与初始信号本身相比，初始信号经过积分之后得到的信号的波峰的坡度变得缓和。在有效事件刚发生的一段时间内，反馈信号的电流值是一个固定值，例如0。因此，正常情况下，积分信号(用于代表初始信号和反馈信号的差的积分的信号)的峰会出现得比初始信号的峰晚。转换信号是由初始信号转换成的电压信号，转换信号与初始信号的波形基本一致。因此，如果与同样的参考电平进行比较，积分信号会比转换信号更晚触发比较信号中高电平(或低电平)的出现。
将积分信号与转换信号结合之后，可以使得波峰出现得比较早，二者结合之后的电压值可以较早地超过参考电平，从而触发比较信号中出现高电平(或低电平)。所述结合可以是将积分信号与转换信号相加或相减，在相加时二者可以同相，在相减时二者可以反相。此外，积分信号和/或转换信号还可以在进行适当的放大等处理之后再相加或相减，或者在二者相加或相减之后再进行适当的放大等处理。
根据本发明实施例的用于测量光子信息的装置至少具有如下优点：
(1)、硬件成本低。该装置的电路结构比较简单，易于实现。根据本发明实施例，将转换信号与积分信号结合在一起，使得采用同一比较器即可实现所需的信号比较功能。此外，转换信号与积分信号的结合使得根据同一信号(例如数字信号或比较信号)获得时间和能量等信息成为可能。因此，时间测量与其他测量可以在同一测量模块中实现。测量模块还可以示例性地采用FPGA实现，以进一步节约硬件成本。因此，与将时间测量和其他测量分开采用不同的电路实现的方案相比，本发明实施例提供的装置所需的电路元件更少，成本、尺寸和功耗都更低。
(2)、高精度的时间测量。由于在与参考电平的比较过程中加入转换信号，利用积分信号与转换信号的结合结果的波峰来识别高能光子的到达时间，因此使得装置对高能光子的出现能够更快、更敏感地做出反应。因此，与改进的光子测量前端电路相比，根据本发明实施例的装置可以改善由于初始信号的波形重叠和基线漂移而导致的时间测量可能不准确的问题，因此该装置的时间性能更好，能够获得更准确的时间测量结果。
(3)、时间测量对能量、增益等其他方面的测量基本不造成影响。转换信号具有陡峭的峰，便于辅助识别高能光子的到达时间，但是其信号包络所包围的面积相比积分信号来说小很多。因此，转换信号与积分信号的结合并不会影响高能光子的能量等方面的测量的精度。
本文所述的用于测量光子信息的装置可以采用分立元件电路、专用集成电路(ASIC)、可编程元件电路(数字信号处理器(DSP)或FPGA)等实现。
根据本发明实施例，积分比较模块220可以包括积分模块和比较器，信号转换模块210可以进一步用于基于初始信号生成第一转换信号且/或基于初始信号生成第二转换信号，积分模块的输入端连接负反馈模块240的输出端并用于连接光电传感器，积分模块的输出端连接比较器的第一输入端或在积分比较模块220包括附加模块的情况下连接附加模块的输入端，积分模块用于对初始信号和反馈信号的差进行积分，附加模块的输出端连接比较器的第一输入端，附加模块用于对积分模块输出的信号进行附加处理，并输出经处理的信号；比较器用于将第一输入端接收的第一输入信号与其第二输入端接收的第二输入信号相比较，以生成比较信号，其中，第一输入信号为Ca*Va+Cb1*Vb1，其中，Va为积分信号，Ca为Va的放大系数，Vb1为第一转换信号，Cb1为Vb1的放大系数，其中，Ca不为0，Cb1*Vb1与Ca*Va同相；第二输入信号为Cb2*Vb2+Vr，其中，Vb2为第二转换信号，Cb2为Vb2的放大系数，Vr为参考电平，其中，Cb2与Cb1不同时为0，Cb2*Vb2与Ca*Va反相；结合结果为Ca*Va+Cb1*Vb1-Cb2*Vb2。
图3示出根据本发明一个实施例的用于测量光子信息的装置300中的部分电路部件的示意图。图3示出装置300中的积分模块(用示例性的、包括运算放大器和电容的电路表示)、比较器、传输控制模块、负反馈模块和测量模块。图3没有示出装置300中的信号转换模块和其可能包括的附加模块。
比较器可以采用常规的电压比较器实现。示例性地，比较器可以采用FPGA实现，其输入端可以是FPGA的一对低压差分信号(LVDS)输入管脚。此外，测量模块250也可以由FPGA实现。由FPGA实现的模块或器件可以在不同FPGA或同一FPGA里实现。
根据上文描述的改进原理，在比较器进行信号对比之前，将转换信号与积分信号结合起来，使得实际在比较器中进行对比的可以理解为是二者的结合结果与参考电平。示例性地，可以在图3所示的A、B、C、D四个位置中的任一位置处进行转换信号的处理，使积分信号能够与转换信号结合。相应地，信号转换模块210的输出端可以连接积分模块的输入端，或者与积分模块一起连接附加模块(可称为第一附加模块)的输入端，或者连接比较器的第二输入端，或者在积分比较模块包括另外的附加模块(可称为第二附加模块)的情况下，单独地或与参考电平一起连接该另外的附加模块。示例性而非限制性地，第一附加模块可以是放大模块，用于对积分信号进行放大。第一附加模块可以是求和模块，其连接积分模块和信号转换模块，用于对积分信号和第一转换信号求和。示例性而非限制性地，第二附加模块可以是求和模块，连接信号转换模块并接收参考电平(或下文所述的初级电平)，用于对第二转换信号和参考电平(或初级电平)求和。这些实施例将在下文详细描述。
不论采用哪种信号结合方式，最终的结果是使得比较器的两个输入端中的任一端或两端接收到的信号中包含转换信号的成分。对于比较器的两个输入端来说，第一输入信号可以为Ca*Va+Cb1*Vb1，第二输入信号可以为Cb2*Vb2+Vr。Ca、Cb1、Cb2是各自对应的信号的放大系数(或说放大倍数)，该放大系数是指各信号在生成之后至输入比较器之前经历中间电路的放大作用之后的大小与原始大小相比的比例。本领域技术人员可以理解，该放大系数并不一定大于1，其也可以小于或等于1。当然，Ca、Cb1、Cb2可以大于0，也可以小于0。例如，当Ca小于0时，Ca*Va与Va的相位相反。
本文所述的转换信号可以包括第一转换信号和/或第二转换信号。在一个示例中，第一转换信号和第二转换信号可以是大小相等、相位相反的信号。在不同位置处结合转换信号时，可能需要相位不同的转换信号，因此可以根据需要生成第一转换信号和/或第二转换信号。
比较器将两个输入端接收的信号进行对比的过程，可以理解为将两个信号相减的过程，即进行以下运算：Ca*Va+Cb1*Vb1-Cb2*Vb2-Vr。Cb1*Vb1与Ca*Va同相，这样，从整体上说，第一转换信号对积分信号的作用就是正向的增长作用，而非负向的抵消作用。而对于第二转换信号来说，Cb2*Vb2可以与Ca*Va反相，这样，从整体上来说，第二转换信号对积分信号的作用也是正向的增长作用。比较器所实施的对比可以视为是将Ca*Va+Cb1*Vb1-Cb2*Vb2与参考电平Vr对比，Ca*Va+Cb1*Vb1-Cb2*Vb2即为本文所述的结合结果。
通过使比较器的至少一个输入端接收的信号中包含转换信号的成分，可以使得转换信号与积分信号的结合结果参与信号比较过程。在输入比较器之前，将转换信号结合进来的方式有多种，并且无需复杂电路即可实现这种结合。下面描述转换信号的结合的几种实现方式。
根据本发明一个实施例，积分模块包括运算放大器，运算放大器的反相输入端连接负反馈模块210的输出端并用于连接光电传感器；信号转换模块220的输出端连接运算放大器的正相输入端和/或运算放大器的反相输入端，信号转换模块210用于将第一转换信号输出至运算放大器的正相输入端和/或将第二转换信号输出至运算放大器的反相输入端。
参考图3，积分模块可以由包括运算放大器、电容等部件的积分电路实现。在这种情况下，可以在A点和B点中的至少一个位置处进行转换信号的结合。
结合点仅在图3中的运算放大器的反相输入端(标记为A)时，积分模块输出的积分输出信号为Va+CA*Vb1(CA为和电路参数设定有关的放大系数)。这时候需要Va和Vb1同相。在本示例中，Ca等于1，Cb1等于CA，Cb2等于0。如果在其他点处也引入转换信号或者对转换信号和/或积分信号进行一些附加的放大处理，则Ca、Cb1、Cb2的大小会发生相应变化。
结合点仅在图3中的运算放大器的正相输入端(标记为B)时，积分模块输出的积分输出信号为Va-CB*Vb2(CB为和电路参数设定有关的放大系数)。这时候需要Va和Vb2反相。在本示例中，Ca等于1，Cb1等于0，Cb2等于CB。如果在其他点处也引入转换信号或者对转换信号和/或积分信号进行一些附加的放大处理，则Ca、Cb1、Cb2的大小会发生相应变化。
从结合点在A点或B点处的实施例中可以看出，积分模块输出的信号不一定等于积分信号Va。由此可知，与结合结果类似地，在某些情况下，积分信号可以是由电路实际生成的信号。在另外一些情况下，积分信号是一种便于描述的概念性词语，而非实际生成的信号。
根据本发明另一个实施例，附加模块(即第一附加模块)可以包括第一求和模块，第一求和模块的输入端连接积分模块的输出端和信号转换模块的输出端，第一求和模块用于对积分模块输出的积分输出信号与第一转换信号求和并生成第一求和信号，其中，积分输出信号为Va+CxVb1，Cx为积分模块对Vb1进行放大的放大系数，Cx≥0；比较器的第一输入端连接第一求和模块的输出端，第一求和信号为第一输入信号。
结合点仅在图3中的积分模块的输出端(标记为C，也是比较器的正相输入端)时，比较器接收到的第一输入信号为Va+CC*Vb1(CC为和电路参数设定有关的放大系数)。这时候需要Va和Vb1同相。在本示例中，Ca等于1，Cb1等于CC，Cb2等于0。如果在其他点处也引入转换信号或者对转换信号和/或积分信号进行一些附加的放大处理，则Ca、Cb1、Cb2的大小会发生相应变化。
可以理解，如果在积分模块输入端(即在A、B点都)不连接信号转换模块，则积分输出信号为Va，也就是Cx等于0。如果在A点和/或B点处进行转换信号的结合，则Cx将不为0。
需注意，图3所示的比较器的正相输入端和反相输入端的连接方式仅是示例而非限制，根据需要，两个输入端与其他部件的连接关系可以互换。
可以理解的是，第一求和模块在对积分输出信号与第一转换信号进行求和的过程中，可以对积分输出信号与第一转换信号进行适当的放大。也就是说，第一求和模块输出的第一求和信号的大小可以等于积分输出信号的大小与第一转换信号的大小的加权和，两个信号的权重可以是任意的，并不局限于1。
示例性地，第一求和模块可以由无源求和电路、同相求和电路或反相求和电路实现。第一求和模块可以采用任何合适的现有或将来可能出现的求和电路实现。例如，第一求和模块可以是最简单的无源求和电路(包括一个或者多个电阻)，也可以是包括放大器的有源同相放大求和电路或者有源反相放大求和电路。示例性地，第一求和模块可以与信号转换模块210(主要与第一转换模块)集成在一起，使用一个或者多个无源电子元件(电阻、电容、电感等)，或者使用一个或者多个有源放大器，同时实现电流信号到电压信号的转换以及信号求和的功能。此外，在信号转换模块210包括如下文所述的第一微分模块的情况下，可以使用一个或者多个无源电子元件(电阻、电容、电感等)，或者使用一个或者多个有源放大器，同时实现电流信号到电压信号的转换、信号微分计算和信号求和的功能。
示例性地，比较器的第二输入端用于接收参考电平作为第二输入信号。在A、B、C点中的任一或多个位置处实施转换信号的结合的实施例中，在D点处可以按常规方式接入参考电平。当然，可以在D点处也实施转换信号的结合，如下面的实施例所述。
根据本发明另一实施例，参考电平为地电平，比较器的第二输入端连接信号转换模块的输出端，第二输入端用于接收第二转换信号作为第二输入信号。
在参考电平为地电平的情况下，可以将第二转换信号直接输入比较器的第二输入端。也就是说，可以直接将信号转换模块与比较器的第二输入端连接，中间无需增加附加模块。可以理解，本实施例所需的电路元件较少，实现成本较低。
结合点仅在图3中的比较器的反相输入端(标记为D，这个是比较器的参考电平输入端)并且参考电平为地电平时，比较器的两个输入端的信号之差为Va-CD*Vb2(CD为和电路参数设定有关的放大系数)。这时候需要Va和Vb2反相。在本示例中，Ca等于1，Cb1等于0，Cb2等于CD。如果在其他点处也引入转换信号或者对转换信号和/或积分信号进行一些附加的放大处理，则Ca、Cb1、Cb2的大小会发生相应变化。
根据本发明另一实施例，积分比较模块220还可以包括第二求和模块，第二求和模块的输入端连接信号转换模块210的输出端并用于接入初级电平，第二求和模块用于对第二转换信号与初级电平求和并生成第二求和信号，其中，参考电平Vr为Cri*Vri，Vri为初级电平，Cri为第二求和模块对初级电平进行放大的放大系数；比较器的第二输入端连接第二求和模块的输出端，第二输入端用于接收第二求和信号作为第二输入信号。
在参考电平不是地电平的情况下，需要将第二转换信号与初级电平(其经过放大之类的附加处理之后即为参考电平)求和之后再输入比较器。可以采用第二求和模块对第二转换信号和初级电平求和。第二求和模块与第一求和模块类似，不再赘述。
示例性地，如果在求和时，第二转换信号与初级电平的权重都是1，也就是简单地将二者相加而不进行放大，则参考电平等于初级电平。如果在求和时，初级电平被进行了一定比例的放大，则参考电平等于初级电平与其放大比例的乘积。也就是说，在后一种情况下，并不直接将信号比较中涉及的参考电平输入第一求和模块。
示例性地，第二求和模块可以由无源求和电路、同相求和电路或反相求和电路实现。第二求和模块可以采用任何合适的现有或将来可能出现的求和电路实现。例如，第二求和模块可以是最简单的无源求和电路(包括一个或者多个电阻)，也可以是包括放大器的有源同相放大求和电路或者有源反相放大求和电路。示例性地，第二求和模块可以与信号转换模块210(主要与第二转换模块)集成在一起，使用一个或者多个无源电子元件(电阻、电容、电感等)，或者使用一个或者多个有源放大器，同时实现电流信号到电压信号的转换以及信号求和的功能。此外，在信号转换模块210包括如下文所述的第二微分模块的情况下，可以使用一个或者多个无源电子元件(电阻、电容、电感等)，或者使用一个或者多个有源放大器，同时实现电流信号到电压信号的转换、信号微分计算和信号求和的功能。
可选地，可以在上述A、B、C、D四个位置中的两个、三个或四个位置处实施转换信号的结合，这样可以提高结合结果中转换信号的信号幅度，这有利于进一步提高高能光子的时间测量精度。由此，总计至少有4(单个位置)+6(两个位置)+4(3个位置)+1(所有4个位置)＝15种组合。因此，至少有15种不同的电路实现方案。本发明涵盖所有的15种实现方案。
根据本发明实施例，信号转换模块210可以包括第一转换模块和/或第二转换模块，第一转换模块和第二转换模块分别用于生成第一转换信号和第二转换信号。
第一转换模块和第二转换模块可以分别生成相位相反的第一转换信号和第二转换信号。在一个示例中，第一转换模块和第二转换模块可以是相互独立的模块。在另一示例中，第一转换模块和第二转换模块可以相互连接，第一转换模块可以对第二转换模块生成的第二转换信号进行处理，使其反相，从而获得第一转换信号。类似地，第二转换模块也可以对第一转换模块生成的第一转换信号进行处理，使其反相，从而获得第二转换信号。
在一个示例中，第一转换模块可以由电阻实现，该电阻可以串联在光电传感器(例如SiPM)的阴极或阳极上。类似地，第二转换模块也可以由电阻实现，该电阻可以串联在光电传感器(例如SiPM)的阴极或阳极上。
根据本发明实施例，第一转换模块可以包括第一初级转换模块和第一微分模块，其中，第一初级转换模块用于将初始信号转换为电压形式的第一初级信号；第一微分电路用于对第一初级信号进行微分，以获得第一转换信号。
在一个示例中，第一微分模块可以包括第一微分器。示例性地，第一微分器可以由包括电容和电阻的高通滤波器实现。在一个示例中，第一微分模块可以仅包括第一微分器。该第一微分器用于对第一初级信号进行微分并输出上述第一微分信号。这种微分模块的实现电路比较简单，在第一微分器输出的信号的大小满足需求的情况下，可以采用这种实现方式。在另一示例中，第一微分模块还可以包括第一放大电路，第一放大电路的输入端连接第一微分器的输出端，其中，第一微分器用于对第一初级信号进行微分并输出第一初级微分信号；第一放大电路用于对第一初级微分信号进行放大，以获得第一微分信号。在第一微分器输出的信号太小，不满足需求的情况下，可以利用第一放大电路对第一微分器输出的信号进行放大，以使得放大后的信号的大小足够大，使其能够用于正确测量高能光子的到达时间。
图4示出根据本发明一个实施例的、与初始信号对应的电压信号(第一初级信号)和第一微分信号的波形示意图。在图4中，波形410表示第一初级信号的波形，波形420表示第一微分信号的波形。由图4可见，第一微分模块提取第一初级信号中的高频成分，使得第一微分信号的脉冲前沿(其为下降沿)的斜率远大于第一初级信号的脉冲前沿(其为下降沿)的斜率。因此，与将经过简单电压转换的信号和积分信号结合相比，将微分信号和积分信号结合，所获得的结合结果会变得更陡。因此，当有效事件发生时，微分信号与积分信号的结合结果的反应比经过简单电压转换的信号与积分信号的结合结果还要敏感，从而可以更加及时地检测到高能光子的出现并且能够获得更加准确的时间测量结果。此外，微分模块具有很强的抑制基线漂移的能力，这也有利于获得较高的时间测量精度。
根据本发明实施例，第二转换模块可以包括第二初级转换模块和第二微分模块，其中，第二初级转换模块用于将初始信号转换为电压形式的第二初级信号；第二微分电路用于对第二初级信号进行微分，以获得第二转换信号。
在一个示例中，第二微分模块可以包括第二微分器。示例性地，第二微分器可以由包括电容和电阻的高通滤波器实现。在一个示例中，第二微分模块可以仅包括第二微分器。该第二微分器用于对第二初级信号进行微分并输出上述第二微分信号。这种微分模块的实现电路比较简单，在第二微分器输出的信号的大小满足需求的情况下，可以采用这种实现方式。在另一示例中，第二微分模块还可以包括第二放大电路，第二放大电路的输入端连接第二微分器的输出端，其中，第二微分器用于对第二初级信号进行微分并输出第二初级微分信号；第二放大电路用于对第二初级微分信号进行放大，以获得第二微分信号。在第二微分器输出的信号太小，不满足需求的情况下，可以利用第二放大电路对第二微分器输出的信号进行放大，以使得放大后的信号的大小足够大，使其能够用于正确测量高能光子的到达时间。
本实施例的实现原理和优势与上一实施例类似，此处不再赘述。
示例性地，测量模块250可以通过以下方式确定到达时间：根据比较信号和/或数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效事件的发生时间，并根据在有效事件发生时段内比较信号中的首个高电平或首个低电平的出现时间和/或在有效事件发生时段内数字信号中首个高电平或首个低电平的出现时间确定到达时间。
测量模块250的时间测量功能(以及能量测量等其他功能)，既可以通过测量积分比较模块220输出的比较信号来实现，也可以通过测量传输控制模块230输出的数字信号来实现，还可以通过同时测量比较信号和数字信号后对二者加权平均或使用其他算法来实现。
有效事件产生的电流信号的能量远大于暗事件产生的电流信号的能量。假设比较信号中的高电平的出现时间以及数字信号中高电平或说第一逻辑电平的出现时间(也就是其个数)与光电传感器检测到的光信号的能量是正相关的，则与暗事件相比，当有效事件发生时，比较信号中高电平的出现时间以及数字信号中的高电平的出现时间要长得多。因此，可以非常容易地区分有效事件和暗事件的发生。当确定有效事件发生时，可以找出在该事件的发生时段内比较信号中首个上升沿的出现时间和/或数字信号中首个上升沿的出现时间。可以将上述任一出现时间视为高能光子的到达时间。还可以同时参考上述两个出现时间来确定高能光子的到达时间。
下面以数字信号为例描述到达时间的确定方式。示例性地，测量模块250可以通过以下方式确定高能光子的到达时间：根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效触发时间并将有效触发时间作为到达时间，其中，有效触发时间是有效事件触发数字信号中的高电平的时间。在一个示例中，有效触发时间可以是由有效事件触发的在数字信号中从低电平跳变至高电平的时间，即上升沿。在另一示例中，有效触发时间可以是由有效事件触发的在数字信号中从高电平跳变至低电平的时间，即下降沿。在又一示例中，有效触发时间可以是由有效事件触发的高电平的持续时间中的任意时刻。
如上文所述，数字信号可以是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。在这种情况下，可以认为数字信号中第一逻辑电平“1”的出现是由有效事件或暗事件触发的。一个可见光子和一个暗事件在光电传感器中产生的初始信号是相同的。由于一个高能光子能够引发大量可见光子，因此每个有效事件产生的能量远大于每个暗事件产生的能量。但是暗事件发生的频率高于有效事件发生的频率。当有效事件未发生时，数字信号中由于暗事件的存在可以出现零散的“1”，而当有效事件发生时，数字信号中可以在较短的时间内出现大量的“1”。因此，可以根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效事件是否发生。在确定有效事件未发生的情况下，可以将每次“1”出现的时间或结束的时间或在其出现与结束期间的任意时刻视为暗事件触发数字信号中的高电平的时间，即暗触发时间。在确定有效事件发生的情况下，可以将有效事件引起的第一个“1”出现的时间或结束的时间或在其出现与结束期间的任意时刻视为有效事件触发数字信号中的高电平的时间，即有效触发时间。这样，根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律可以确定有效触发时间和/或暗触发时间。
根据本发明实施例，测量模块250还可以用于根据比较信号和/或数字估计时间漂移量，并基于时间漂移量对到达时间进行修正。
下面同样以数字信号为例描述时间漂移量的估计方式，采用比较信号估计时间漂移量的方式是类似的，不做赘述。示例性地，测量模块250可以通过以下方式估计时间漂移量：根据数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定在有效触发时间之前的前一暗触发时间，其中，暗触发时间是暗事件触发数字信号中的高电平的时间；计算有效触发时间和前一暗触发时间之间的时间间隔；估计在时间间隔内发生的暗事件的量；以及根据在时间间隔内发生的暗事件的量估计时间漂移量。
在一个示例中，暗触发时间可以是由暗事件触发的在数字信号中从低电平跳变至高电平的时间，即上升沿。在另一示例中，暗触发时间可以是由暗事件触发的在数字信号中从高电平跳变至低电平的时间，即下降沿。在又一示例中，暗触发时间可以是由暗事件触发的高电平的持续时间中的任意时刻。
暗事件的发生有一定的频率，根据有效触发时间和前一暗触发时间之间的时间间隔以及暗事件的发生频率可以估计该时间间隔内暗事件的量。暗事件的量可以是任何能够衡量发生多少暗事件的指标，例如暗事件的数量、暗事件的电荷量或暗事件的能量等。例如，假设有效触发时间和前一暗触发时间之间的时间间隔为50纳秒，并假设暗事件平均每10纳秒发生1次，则在50纳秒内可以发生5个暗事件。可以根据经验或理论计算来估计5个暗事件产生的电荷累积在积分模块中会导致到达时间漂移多少(即估计时间漂移量)。随后，可以根据时间漂移量对到达时间进行修正。
根据本实施例，估计时间漂移量并基于时间漂移量对到达时间进行修正，这样可以修正由暗事件带来的时间测量误差，以进一步提高装置的时间测量精度。
根据本发明实施例，测量模块250还可以用于根据比较信号和/或数字信号进行高能光子的能量测量、暗电流测量、波形测量和增益测量中的一项或多项。
除时间测量以外，测量模块250还可以根据比较信号和/或数字信号进行其他期望测量。所述期望测量包括能量测量、暗电流测量、波形测量、增益测量等。
例如，数字信号中包含能量信息，该能量信息可以反映光电传感器所检测到的高能光子的能量大小。测量模块250通过对数字信号进行某些运算(如求和)，可以计算出或推测出高能光子的能量大小。可以理解的是，测量模块250可以通过数字信号获得高能光子的能量的相对值，该相对值可以代表高能光子的能量的确切值。另外，测量模块250可以包括与传输控制器相同的电路，并将该电路连接到积分比较模块220的输出端，该电路对比较信号进行处理之后，将输出与数字信号相同的信号，测量模块250再利用该信号测量高能光子的能量，其计算过程与直接利用数字信号进行计算的过程相同，不再赘述。
测量模块250可以包括能量测量模块。能量测量模块可以连接积分比较模块220和/或传输控制模块230的输出端，以利用比较信号和/或数字信号进行能量测量。可选地，能量测量模块可以包括计数器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行计数来对高能光子进行能量测量。也就是说，可以通过累计数字信号中“1”的个数来进行能量测量。可选地，能量测量模块可以包括加法器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行求和来对高能光子进行能量测量。也就是说，可以直接将数字信号中的“1”相加，将最后获得的和作为高能光子的能量大小。通过对第一逻辑电平进行计数或求和来进行能量测量的方法简单快捷，效率高。
测量模块250可以包括暗电流测量模块。与能量测量模块类似地，暗电流测量模块可以连接积分比较模块220和/或传输控制模块230的输出端，以利用比较信号和/或数字信号进行暗电流测量。例如，暗电流测量模块可以通过对来自传输控制模块230的数字信号进行运算来进行暗电流测量。例如，可以通过计算在未发生有效事件时单位时间内数字信号中的“1”的个数，来测算暗电流的大小。暗电流的大小正比于单位时间内数字信号中的“1”的个数。
测量模块250可以包括波形测量模块。与能量测量模块和暗电流测量模块类似地，波形测量模块可以连接积分比较模块220和/或传输控制模块230的输出端，以利用比较信号和/或数字信号对初始信号进行波形重建和波形测量。例如，波形测量模块可以通过数字低通滤波的方法来对初始信号进行波形重建。在某些应用中，重建的波形可以用于实现高级的测量。
测量模块250还可以包括增益测量模块。增益指的是光电传感器的增益。示例性地，增益测量模块可以根据比较信号和/或数字信号计算在光电传感器中发生的暗事件的能量，生成暗事件的能量谱图，并基于能量谱图计算光电传感器的增益。光电传感器(尤其是SiPM)的增益(或增益及串扰率(Crosstalk rate))与温度以及施加到光电传感器上的偏置电压相关。在光电传感器正常工作时，偏置电压通常是不变的，因此其增益(或增益及串扰率)主要受温度影响。以SiPM为例，温度升高时，SiPM的增益(或增益及串扰率)降低，单位时间内暗事件的个数(暗电流的大小)增大。因此，可以通过检测单个暗事件的能量来确定SiPM的增益变化情况。
根据本发明另一方面，提供一种光子测量设备。该光子测量设备包括闪烁晶体、光电传感器以及上文所述的用于测量光子信息的装置200。
上文在结合附图2-4描述用于测量光子信息的装置200时，已经描述了闪烁晶体、光电传感器、以及装置200的电路结构和工作原理，本领域技术人员可以根据上文描述理解光子测量设备的实现方式，此处不再赘述。
光子测量设备可以是正电子发射成像(PET)设备、单光子发射成像(SPECT)设备等。与现有的诸如PET设备的光子测量设备相比，本发明实施例提供的光子测量设备的成本低，时间测量精度高，具有极大的应用价值和市场前景。
上文主要采用FPGA来举例说明本发明的实施方法。需要说明的是，FPGA不是本发明的必需实现方案。本发明所述的采用FPGA实现的功能模块还可以通过分立元件构成的数字电路来实现，例如通过数字信号处理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、微控制单元(MCU)或中央处理单元(CPU)等实现。
虽然本文以SiPM为例描述了本发明的原理和应用，但是应该理解的是，本发明并不局限于此。本发明所提供的用于测量光子信息的装置还可以应用于PMT或任何其他合适的光电传感器。
应该注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (16)
1.一种用于测量光子信息的装置，包括信号转换模块、积分比较模块、传输控制模块、负反馈模块、测量模块，其中，
所述信号转换模块用于连接光电传感器，并将所述光电传感器输出的初始信号转换为电压形式的转换信号；
所述积分比较模块连接所述负反馈模块的输出端和所述信号转换模块，并用于连接所述光电传感器，所述积分比较模块用于对所述初始信号和来自所述负反馈模块的反馈信号的差进行积分，并基于积分信号与所述转换信号的结合结果与参考电平之间的大小关系生成比较信号，所述积分信号为用于代表所述初始信号和所述反馈信号的差的积分的信号；
所述传输控制模块的输入端连接所述积分比较模块的输出端，所述传输控制模块用于利用时钟信号控制所述比较信号的传输以输出数字信号，其中所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平；
所述负反馈模块的输入端连接所述传输控制模块的输出端，所述负反馈模块用于将所述数字信号转换为所述反馈信号并且将所述反馈信号反馈给所述积分比较模块；
所述测量模块的输入端连接所述积分比较模块的输出端和/或所述传输控制模块的输出端，所述测量模块用于根据所述比较信号和/或所述数字信号确定所述光电传感器检测到的高能光子的到达时间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述积分比较模块包括积分模块和比较器，所述信号转换模块进一步用于基于所述初始信号生成第一转换信号且/或基于所述初始信号生成第二转换信号，
所述积分模块的输入端连接所述负反馈模块的输出端并用于连接所述光电传感器，所述积分模块的输出端连接所述比较器的第一输入端或在所述积分比较模块包括附加模块的情况下连接所述附加模块的输入端，所述积分模块用于对所述初始信号和所述反馈信号的差进行积分，所述附加模块的输出端连接所述比较器的所述第一输入端，所述附加模块用于对所述积分模块输出的信号进行附加处理，并输出经处理的信号；
所述比较器用于将所述第一输入端接收的第一输入信号与其第二输入端接收的第二输入信号相比较，以生成所述比较信号，其中，
所述第一输入信号为Ca*Va+Cb1*Vb1，其中，Va为所述积分信号，Ca为Va的放大系数，Vb1为所述第一转换信号，Cb1为Vb1的放大系数，其中，Ca不为0，Cb1*Vb1与Ca*Va同相；
所述第二输入信号为Cb2*Vb2+Vr，其中，Vb2为所述第二转换信号，Cb2为Vb2的放大系数，Vr为所述参考电平，其中，Cb2与Cb1不同时为0，Cb2*Vb2与Ca*Va反相；
所述结合结果为Ca*Va+Cb1*Vb1-Cb2*Vb2。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述积分模块包括运算放大器，
所述运算放大器的反相输入端连接所述负反馈模块的输出端并用于连接所述光电传感器；
所述信号转换模块的输出端连接所述运算放大器的正相输入端和/或所述运算放大器的反相输入端，所述信号转换模块用于将所述第一转换信号输出至所述运算放大器的正相输入端和/或将所述第二转换信号输出至所述运算放大器的反相输入端。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述附加模块包括第一求和模块，
所述第一求和模块的输入端连接所述积分模块的输出端和所述信号转换模块的输出端，所述第一求和模块用于对所述积分模块输出的积分输出信号与所述第一转换信号求和并生成第一求和信号，其中，所述积分输出信号为Va+CxVb1，Cx为所述积分模块对Vb1进行放大的放大系数，Cx≥0；
所述比较器的所述第一输入端连接所述第一求和模块的输出端，所述第一求和信号为所述第一输入信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一求和模块由无源求和电路、同相求和电路或反相求和电路实现。
6.根据权利要求3至5任一项所述的装置，其特征在于，所述比较器的所述第二输入端用于接收所述参考电平作为所述第二输入信号。
7.根据权利要求2至5任一项所述的装置，其特征在于，所述参考电平为地电平，
所述比较器的所述第二输入端连接所述信号转换模块的输出端，所述第二输入端用于接收所述第二转换信号作为所述第二输入信号。
8.根据权利要求2至5任一项所述的装置，其特征在于，所述积分比较模块还包括第二求和模块，
所述第二求和模块的输入端连接所述信号转换模块的输出端并用于接入初级电平，所述第二求和模块用于对所述第二转换信号与所述初级电平求和并生成第二求和信号，其中，所述参考电平Vr为Cri*Vri，Vri为所述初级电平，Cri为所述第二求和模块对所述初级电平进行放大的放大系数；
所述比较器的所述第二输入端连接所述第二求和模块的输出端，所述第二输入端用于接收所述第二求和信号作为所述第二输入信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二求和模块由无源求和电路、同相求和电路或反相求和电路实现。
10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号转换模块包括第一转换模块和/或第二转换模块，所述第一转换模块和所述第二转换模块分别用于生成所述第一转换信号和所述第二转换信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一转换模块包括第一初级转换模块和第一微分模块，其中，
所述第一初级转换模块用于将所述初始信号转换为电压形式的第一初级信号；
所述第一微分电路用于对所述第一初级信号进行微分，以获得所述第一转换信号。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第二转换模块包括第二初级转换模块和第二微分模块，其中，
所述第二初级转换模块用于将所述初始信号转换为电压形式的第二初级信号；
所述第二微分电路用于对所述第二初级信号进行微分，以获得所述第二转换信号。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量模块通过以下方式确定所述到达时间：
根据所述比较信号和/或所述数字信号中的高电平和低电平的出现规律确定有效事件的发生时间，并根据在有效事件发生时段内所述比较信号中的首个高电平或首个低电平的出现时间和/或在有效事件发生时段内所述数字信号中首个高电平或首个低电平的出现时间确定所述到达时间。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量模块还用于根据所述比较信号和/或所述数字估计时间漂移量，并基于所述时间漂移量对所述到达时间进行修正。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量模块还用于根据所述比较信号和/或所述数字信号进行所述高能光子的能量测量、暗电流测量、波形测量和增益测量中的一项或多项。
16.一种光子测量设备，包括闪烁晶体、光电传感器以及如权利要求1至15任一项所述的用于测量光子信息的装置。
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