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紅外LED單光子雪崩信號

發布時間：2023-02-09 來源：TsinghuaJoking 責任編輯：wenwei

【導讀】本文測試了紅外LED反向雪崩器件的基本特性，可以看到它作為弱光檢測的基本特性。在昨天搭建了紅外反向雪崩信號整形電路，初步測量了它對光電信號的檢測性能。下麵利用單片機MEGA8對脈衝信號進行計數。測試一下紅外反向單光子雪崩器件測量光強的一些基本性能。

01 LED反向雪崩信號

一、背景介紹

在昨天搭建了紅外反向雪崩信號整形電路，初步測量了它對光電信號的檢測性能。下麵利用單片機MEGA8對脈衝信號進行計數。測試一下紅外反向單光子雪崩器件測量光強的一些基本性能。

二、單片機程序

對於記錄雪崩脈衝信號計數MEGA8單片機編程，對其串口輸出數據協議進行定義。命令代碼0x1，串口返回100ms之內的脈衝數量。命令代碼0x2，串口返回四個ADC轉換數值；這個命令是用於後期輔助模擬量測量。命令代碼0x55，每隔0.5秒連續輸出脈衝計數數值。

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三、測量結果

1、反向電壓與脈衝

將紅外LED置於一個黑色紙盒內，紙盒內部有黑色的海綿充分吸光。測量反向電壓從39.5V變化到45V對應的脈衝數量。這反應了脈衝與反向電壓之間的關係。

測量LED在無光情況下反向偏置電壓與脈衝個數之間的關係

這裏給出了測量結果，可以看到在41V之前，基本上脈衝數值非常小。隨著電壓的增加，反向單光子雪崩脈衝信號繼續增加。由於在黑盒子內實際上無法做到完全每一個光線，所以後麵脈衝增加也可以看成LED傳感器靈敏度增加的結果。

圖1.3.2 無光下反向偏置電壓與脈衝數量之間的關係

2、脈衝數與光線之間關係

在黑色紙盒內固定一個紅色LED，使其與紅外LED正對，測量LED的電流與接收LED反向雪崩脈衝信號數量之間的關係。測量仍然在無光的黑色盒子內進行，盡可能避免外部光線對其影響。 LED的電流通過測量串聯電阻上的電壓獲得。

圖1.3.3 測量雪崩脈衝數量與光線之間的關係

在博文 LED的電流與光強之間的關係[1] 中測量了紅色LED的光強與通過電流之間的關係，在一定範圍內大體上呈現線性關係。

這是測量結果，可以看出整體上隨著LED電流增加，光強增加，雪崩脈衝數量也增加。在2mA之前，脈衝數量與LED電流之間大體呈現線性關係。隨著後麵電流增加，電流逐步趨向飽和狀態。猜測是強光下，雪崩脈衝之間會相互充電，熄火電流會將部分脈衝掩蓋，使得技術數量下降。

圖1.3.4 LED電流與雪崩脈衝之間的關係

圖1.3.5 光強大的時候，脈衝檢測器的性能下降

四、光電池發光

光電池是將光轉變成電的器件，如果對其通過電流是否可以發光呢？下麵使用上麵紅外LED測量光電池的發光。

將光電池與紅外LED放置在黑盒子裏麵。調整紅外LED方向，使其正對光電池表麵。將它們密封在褐色紙盒子裏麵。稍微增加紅外LED偏置電流，增加它的靈敏度。下麵測試光電池導通電流與雪崩脈衝信號之間的關係。

圖A1.4.1 測量光電池發光信號

這是測量結果，可以看到隨著光電池電流增加，紅外反向雪崩脈衝信號也增加了。它們之間大體呈現線性關係。這說明光電池的確發光，而且光線強隨著電流增加線性增加。這說明利用紅外LED反向雪崩信號的確可以檢測非常微弱的發光。

圖1.4.1 測量光電池發光

總結

本文測試了紅外LED反向雪崩器件的基本特性，可以看到它作為弱光檢測的基本特性。

圖2.1 測量SPAD基本特性

參考資料

[1] LED的電流與光強之間的關係: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/107700459

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