一种弱光检测器的制作方法
本发明涉及一种光子探测技术领域，具体而言，尤其涉及一种弱光检测器。
背景技术：
弱光探测近年来，一直被广泛的应用于检测探测领域，其中在化学发光检测，激光诱导荧光检测中都具有广泛的应用。但因弱光检测对检测器的灵敏度要求较高，市场上对于高灵敏度的弱光探测器一直是较为昂贵，同时弱光探测中为了使得探测具有较好的稳定性，都选用液氮对光电器件进行制冷以得到较好的仪器性能，但这对使用带来极大的不方便。
目前对于弱光检测器，需要满足如下性能：灵敏度高，线性范围宽，稳定性强，响应时间快，等性能特点。如今大多弱光探测器，选用pmt光电倍增管实现。但由于pmt的工作原理是采用高电压条件下，电子多级倍增实现的，因此光电倍增管具有体积大，在使用的过程中需要对其较高的高压，这对于在特殊条件下，会带来不安全等隐患。因此对于小型化的仪器使用起来极其的不方便。
技术实现要素：
根据上述提出的技术问题，而提供一种弱光检测器。本发明包含一种弱光检测器，其特征在于，至少包括：采集弱光的信号采集模块，放大采集的所述弱光的高增益信号放大模块，模拟信号转换为数字信号的转换并处理所述数字信号的信号处理模块，通过总线控制信号的输入与输出的信号输入/输出模块以及保持系统稳定的温度控制模块。
更进一步的，所述采集模块至少包含：光伏探测器或光电导探测器中的一种的光电二极管，所述高增益信号放大模块及信号处理模块由金属外壳包裹；所述温度控制模块包裹在导热良好的材料中；所述高增益信号放大模块，至少包括：光电转化单元，高增益放大单元，电压跟随单元以及滤波单元。
进一步的，所述光电转化单元：将光信号转化为电信号的光电二极管l1正极接地，负极接入高增益放大器a1的负输入端；所述高增益放大单元中高阻抗放大电阻r1与积分电容c1相互并联，其一端接高增益放大器a1的负输入端，另一端接所述高增益放大器a1的输出端；电容c2的一端与电阻r3串联，串联后的电容c2、电阻r3一端接所述高增益放大器a1的正输入端，另一端接地；所述电阻r2的另一端还连接有并联后的电阻r4、电阻r5、电阻r6；所述电阻r5的另一端连接电源的正极+v，所述电阻r6的另一端连接电源的负极-v。
进一步的，所述电压跟随单元：高阻抗放大器a2的正输入端连接电阻r7与电容c3，所述电阻r7的另一端连接所述高增益放大器a1的输出端，所述电容c3的另一端接地；所述高阻抗放大器a2的负输入端与电阻r8相连接。所述滤波单元：运算放大器a3的正输入端与串联后的电阻r9、电容c4相连，所述电阻r9的另一端与电阻r8、电容c5相连接，所述电容c4的另一端接地；所述电阻r9的一端连接电容c5另一端与运算放大器a3的输出端相连接，所述运算放大器a3的负输入端与输出端相连接得到数字信号。
更进一步的，所述采集模块至少包括：光子收集单元，光学窗面单元以及光电二极管；
所述光子收集单元将待检测的光子汇聚到所述光电二极管的感光芯片端面；所述光子收集单元为具有光学收集效果的反射结构，或具有光学聚焦效果的透镜组；所述反射结构为镀有高反射膜的抛物面聚焦镜或镀有高反射膜的非规则聚焦结构中的一种。
进一步的，所述温度控制模块至少包括：热敏电阻、半导体制冷片、金属散热片以及风扇；所述半导体制冷片的制冷面紧贴所述金属外壳的外部，传热面与所述金属散热片紧密贴合。所述的热敏电阻，与光电二极管贴合，实时的得到光电二极管的温度值；
更进一步的，在pcb电路板与金属外壳之间这只有金属热沉，金属热沉与电路板一面通过焊接的方式与pcb板链接，另一面与金属外壳依靠贴合；热量由光电二极管，通过金属热沉传递到金属外壳。所述温度控制模块控制整体装置设置的温度精度为±0.01摄氏度至±0.1摄氏度。
进一步的，所述电阻r1与电容c1的乘积在0.2s至2s之间，电容c2至c5的电容值在0.1uf至20uf之间。
进一步的，所述金属散热片一面为光滑的金属材质，另一面贴合所述风扇，为突出的栅格状。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的弱光探测器采用非pmt作为核心部件，因此本发明具有对弱光信号实现较高的放大能力，可以实现对光电转后得到的pa级信号实现有效的放大与信号的提取。同时对于高频信号可以实现较好的噪声抑制效果，有效的将高频噪声滤除。
本发明采用光伏探测器或光电导探测器实现对弱光信号的光电转换，避免使用价格昂贵的pmt光电倍增管，有效的降低成本。同时可以使得探测器的体积较为便携，能够在高增益探测的同时，实现装置的小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光电二极管的放大电路。
图2为本发明光电二极管的整体结构温控的原理图。
图3为本发明的实施例关于温度控制的性能对比，line1与line2均为探测器电压随温度的时间关系。其中，line1表示未使用制冷结构的装置，line2表示仅在装置底部添加半导体制冷的反馈控温结构。
图4为本发明的实施例关于温度控制系统的对比，line2与line3均为探测器电压随温度的时间关系。其中line2表示仅在装置底部添加半导体制冷的反馈控温结构，line3表示装置底部添加半导体制冷的反馈控温结构，同时在装置的底部添加金属热沉装置。
图5为本发明的实施例关于温度控制系统的对比，line3与line4均为探测器电压随温度的时间关系。其中，line3表示装置底部添加半导体制冷的反馈控温结构，同时在装置的底部添加导热传热装置。line4表示装置底部添加半导体制冷的反馈控温结构并在装置的底部添加导热传热装置，同时对光电探测器周围通过金属包裹的装置。
图6为本发明关于温度控制系统的对比，line1与line4均为探测器电压随温度的时间关系。其中，line1表示未使用制冷结构的装置，line4表示装置底部添加半导体制冷的反馈控温结构并在装置的底部添加导热传热装置，同时对光电探测器周围通过金属包裹的装置。
其中，1为光子收集单元，2为光学窗面单元，3为光电二极管，101为热敏电阻，102为金属热沉，103为半导体制冷片，104为金属散热片，105为风扇，201为pcb电路板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
如图1-6所示，本发明提供了一种弱光检测器，至少包括：采集弱光的信号采集模块，放大采集的弱光的高增益信号放大模块，模拟信号转换为数字信号的转换并处理数字信号的信号处理模块，通过总线控制信号的输入与输出的信号输入/输出模块以及保持系统稳定的温度控制模块。可以理解为在其它的实施方式中，还可以设置其它的单元配合实现探测器的功能即可。
作为优选的实施方式，采集模块至少包含：光伏探测器或光电导探测器中的一种，高增益信号放大模块及信号处理模块由金属外壳包裹；温度控制模块包裹在导热良好的材料中；高增益信号放大模块至少包括：光电转化单元，高增益放大单元，电压跟随单元以及滤波单元。
在本实施方式中，温度控制模块与pcb电路板之间通过金属热沉进行热量交换。可以理解为在其它的实施方式中，还可以通过其它的方式进行热的传递，只要能够满足能够将热量进行传递即可。
作为优选的实施方式，如图1所示，光电转化单元：将光信号转化为电信号的光电二极管l1正极接地，负极接入高增益放大器a1的负输入端；高增益放大单元中高阻抗放大电阻r1与积分电容c1相互并联，其一端接高增益放大器a1的负输入端，另一端接高增益放大器a1的输出端；电容c2的一端与电阻r3串联，串联后的电容c2、电阻r3一端接高增益放大器a1的正输入端，另一端接地；电阻r2的另一端还连接有并联后的电阻r4、电阻r5、电阻r6；电阻r5的另一端连接电源的正极+v，电阻r6的另一端连接电源的负极-v。电压跟随单元：高阻抗放大器a2的正输入端连接电阻r7与电容c3，电阻r7的另一端连接高增益放大器a1的输出端，电容c3的另一端接地；高阻抗放大器a2的负输入端与电阻r8相连接。滤波单元：运算放大器a3的正输入端与串联后的电阻r9、电容c4相连，电阻r9的另一端与电阻r8、电容c5相连接，电容c4的另一端接地；电阻r9的一端连接电容c5另一端与运算放大器a3的输出端相连接，运算放大器a3的负输入端与输出端相连接得到数字信号。作为优选的实施方式，本申请二极管对不同的探测波段选择不同的型号，其中包括紫波段，可见光波段，可见光与近红外波段，近红外波段，远红外波段。
作为优选的实施方式，采集模块至少包括：光子收集单元，光学窗面单元以及光电二极管。光子收集单元将待检测的光子汇聚到光电二极管的感光芯片端面；光子收集单元为具有光学收集效果的反射结构，或具有光学聚焦效果的透镜组；反射结构为镀有高反射膜的抛物面聚焦镜或镀有高反射膜的非规则聚焦结构中的一种。
作为优选的实施方式，光子收集单元可以有多种结构实现，其中包括利用单一凸透镜实现的对准直光聚焦，应用的凸透镜可以是球面透镜，也可以是多次面元的非球面透镜。还可以应用凹凸透镜组，实现多不同波段的聚焦效应，同时可以用镀有反射膜的抛物面，椭球面，以及非规则的镜面结构，实现对光进行有效的收集。只要能够满足能够使得更多的光照射到光电二极管的有效感光面上即可。
作为一种优选的实施方式，本申请采用的光电二极管可以选择感光面积大于4mm2的感光面积，对于不同的探测功能的需要选择合适的光电二极管，其中针对紫外光小于300nm的波段，则选择感光面材料为si，sic，gan的探测芯片，对于可见光波段的光子，则选择si材料的探测器，对于可见光与近红外，则选择ge材料的探测器。对于近红外波段，则选择ingaas材料的探测器。对于远红外波段，则选择hgcdte，pbs，inas为材料的光电探测器实现探测。可以理解为在其它的实施方式中，还可以选择其它的材质探测器，只要能够满足能够探测到需要的光即可。
作为一种优选的实施方式，本申请采用的光学窗面单元可以选择透过率较高的光学窗面，使得光子可以尽可能多的照射到探测器的感光面中。也可以为具有一定滤光效果的滤光片，其中滤光片的选择应该与待探测的波段相对应，滤光片的可以为导通滤光片，带阻滤光片，长波通，短波通滤光片，只要能够实现对指定的光，实现有效的探测。
作为优选的实施方式，温度控制模块至少包括：热敏电阻、半导体制冷片、金属散热片以及风扇；半导体制冷片的制冷面紧贴金属外壳的外部，传热面与金属散热片紧密贴合。温度控制模块控制整体装置设置的温度精度为±0.01摄氏度至±0.1摄氏度。
在本实施方式中，温度控制模块在放置的过程中，热敏电阻的在光电二极底面与热敏电阻相互贴合，热敏电阻另一面与pcb电路板相互贴合，同时在pcb电路板的另一面放置具有导热能力的金属块，使得放有光电二极管的pcb板底端与制冷片之间形成良好的热接触，电路板与半导体制冷片具有更好的导热性。关于热敏电阻与半导体制冷片以及热沉的放置方法，上述装置方式能达到高精度的探测。为了实现更高的检测极限，其中模数转化精度为16bit-24bit之间，放大器的放大倍数与数模转化的精度相一致，其中对于放大倍数较低的弱信号需要较高精度的转换，通常可以选择数模转化精度为20-24bit的器件。
在本实施方式中，电阻r1与电容c1的乘积在0.2s至2s之间，电容c2至c5的电容值在0.1uf至20uf之间。
作为优选的实施方式，金属散热片一面为光滑的金属材质，另一面贴合风扇，为突出的栅格状。
作为本申请的一种实施例，如图1为本发明的光电二极管高增益放大电路，由图可见，由光电转化器件，高增益放大部分，电压跟随与滤波部分组成。所述光电转化器件光电二极管l1其功能是将光信号转化为电信号，光电二极管l1正极接地，负极接入高增益放大器a1负输入端。高增益放大部分的核心由高增益放大器a1与高阻抗放大电阻r1，积分电容c1组成，其中高阻抗放大电阻r1，积分电容c1相互并联，其中一端接入放大器负输入端，另一端接入放大器输出端，同时对于高增益放大器a1的正输入端还有其他输入由电阻r2，电阻r3，电阻r4，电阻r5，电阻r6，电容c2，其中电阻r2一端链接高增益放大器a1的正输入端，另一端接地；电阻r2一端链接高增益放大器a1的正输入端，另一端接电容c2与电阻r3；同时电容c2的另一端接地；电阻r4的另一个节点分别链接电阻r5与电阻r6；电阻r5的另一端链接电源+v与之对应的电阻r6另一端链接-v；运算放大器还需要提供正电压+v与负电压-v保持供电。对应电压跟随与滤波部分的核心：由高阻抗放大器a2与运算放大器a3，同时由电阻r7，电阻r8，电阻r9，电容c3，电容c4，电容c5构成。具体构成如下：高阻抗放大器a2正输入端节点链接电阻r7与电容c3，同时电阻r7另一端链接高增益放大器a1的输出端，电容c3的另一端接地；高阻抗放大器a2的负输入端直接与其输出端相连，同时输出端节点与电阻r8相连；对于运算放大器a3的正输入端一端与电阻r9与电容c4相连，对于电阻r9的另一端与电阻r8，电容c5相连接，对于电容c4另一端接地；对于与电阻r9一端链接的电容c5另一端与运算放大器a3的输出端相连接，同时运算放大器a3的负输入端与输出端相连接。最终有运算放大器a3输出到数字模拟转换电路。
作为本申请的一种实施例，高增益放大器a1采用ca3140芯片，高阻抗放大器a2采用芯片为opa2134，运算放大器a3采用芯片opa2134。电阻的参数值如下：r1＝1gω，r2＝220ω，r3＝470kω，r4＝470kω，r5＝5.1kω，r6＝4.7kω，r7＝6.2kω，r8＝2.4kω，r9＝5.6kω。电容的参数值如下：c1＝20pf，c2＝0.1μf，c3＝10μf。+v，+v1，+v2均采用+9v供电，-v，-v1，-v2均采用-9v供电。
作为本申请的一种实施例，选择si材料的光敏探测器件对弱光实现有效的探测，光电二极管的型号为：lsspd-1.2。为了使更多的光子被光敏探测器收集，在探测器的前端放置焦距为5mm的平凸透镜。并在平凸透镜与光电探测器的前端放置滤光片，滤光片为带通滤光片，波长范围在400nm-1900nm范围之间。
实施例1
如图2所示，采用的三级温控系统，其中第一级由半导体制冷片对整体的温控，通过屏蔽外壳将温度传导至半导体散热片的散热端，并通过散热片将热量带走，通过风扇将热量带走。
如图3所示，为半导体制冷片工作与关断两种状态下的新性能对比。由此对比出通过一级制冷，可以抑制探测装置的温度漂移。由公式可知，
实施例2
在实施例1的基础之上，在底部屏蔽外壳与pcb电路板之间增加一个导热沉，使得探测器底部芯片的热量能够有效的，通过热沉金属将热量从pcb板传递到散热片，转热结构的独特性在于，通过金属导热体将探测器底部，pcb电路板，连同屏蔽金属外壳，半导体制冷片，有机的链接为一个整体，如此一来，以上结构中不存在空气缝隙，保证了热量之前传递的有效性。
如图4可知，line2为没有添加导热金属的结构，line3为添加导热金属的温控示意图，通过上述结果可知，增加导热金属，将热量之间的传递效果提高。
实施例3
在实施例2的基础上，改进的措施为，将探测器周边通过金属包裹，并通过导热硅胶，将外壳金属与探测器之前的缝隙填充，使得具有良性传热。具有的优势在于探测器的不仅是底部同时也包括，外壳可以实现一个良好的导热性能，通过导热硅胶使得探测器外壳，探测器外部包裹金属，两者之间实现一个良好的热量传导，同时探测器包裹外壳与信号屏蔽外壳实现良好传热，整体上实现一体化的温度控制。如图5所示，line3为没有添加探测器金属包裹的装置结构，line4为添加金属包裹的外壳结构，从上述结果可知，添加温度控制的装置结构具有较好的控温效果，可以实现温控精度为±0.01℃的温控精度。
实施例4
对比上述实施例，如图6所示，分别比较两种结构，line1为整个装置没有添加任何制冷装置的探测器电压与时间的关系图，line4为装置底部添加半导体制冷的反馈控温结构，与在装置的底部添加导热传热装置，同时对光电探测器周围通过金属包裹的装置。对比上述两种结果，可以看出在不添加任何温度控制装置的条件下，探测器温度漂移明显，对比line4经过一系列的温度控制方案，可以看出温度趋于稳定。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述模块的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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