一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组
技术领域
本发明的实施方式涉及单光子探测领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种固态光电倍增管（SiPM）的控制电路、所述控制电路的线性补偿方法及固态光电倍增模组。
背景技术
传统的实现单光子成像和荧光探测的传感器一般采用玻璃真空封装的光电倍增管（PMT）。利用1000V左右的高压电场驱动，可以实现10的6次方级别的光电增益。但玻璃真空封装和千伏以上的高压使得管子使用的时候存在结构复杂、小型化难度大、磁场敏感等问题。而固态光电倍增管（SiPM）采用半导体工艺，由工作在盖格模式下的雪崩光电二极管（APD）阵列构成，能够实现10的6次方级别的光电增益和大面积光信号探测，使用环境和结构灵活，便于集成，能够克服PMT的缺点，同时只要几十伏的偏置电压即可工作，是单光子成像和荧光探测领域对PMT的良好补充和替换。
固态光电倍增管（SiPM）需要加载几十伏特的偏置电压，让探测器内部的APD单元工作在盖格模式下，形成高增益。盖格模式的工作电压是在APD单元雪崩点电压上再增加2到5伏特左右的电压，这个再增加的电压称为过压值。电子雪崩增益受过压值控制，呈现线性控制关系。高压电源的噪声不仅会影响探测器的雪崩增益，带来信号噪声，而且也会干扰探测信号电路，使得探测电路的信噪比下降。需要给SiPM提供高稳定和低噪声的高压电源才能充分发挥SiPM的特性。
固态光电倍增管（SiPM）由APD单元阵列构成，内部的单元一旦捕捉到光子由雪崩效应形成高增益电流脉冲即点火后，需要等待一段恢复时间tp，才能捕捉新的光子进行二次点火，而且APD单元阵列的数量有限，当所有的单元都被点火，就达到了探测器的光能量探测上限，即传感器达到饱和状态。所以，随着探测光子数的增加，探测器的输出呈现非线性，导致固态光电倍增管（SiPM）线性工作区域较窄问题。
采用固态光电倍增管（SiPM）实现的传感器，其光子捕捉发生在二极管PN节中的耗尽层，耗尽层中的低能电子捕捉光子，跃迁为自由电子，通过盖格模式下的雪崩效应形成光电倍增。但由于半导体的特性，即使在没有光子照射的暗环境下也会存在自由电子的跃迁，通过倍增形成暗计数噪声；同时光信号在盖格模式下的电子倍增过程中，电子碰撞的随机性也会形成散粒噪声和像元的串扰噪声。温度是固态光电倍增管（SiPM）暗计数噪声的重要影响因素，温度越低，PN节中耗尽层越稳定，产生暗计数噪声也就越低。让探测器工作在越低温度下暗计数噪声也就越低。但SiPM在响应光信号的过程中的散粒噪声由雪崩碰撞的过程产生，耗尽层中的电子状态越稳定，雪崩碰撞的方向性也会越单调，反而造成每次雪崩过程的增益差异性增强，散粒噪声变大。因而越低的温度会使得电子状态越稳定，散粒噪声变大。另外，追求更低的工作温度，需要装置提供的制冷功耗也就越大，反而会增加电源噪声的干扰。
发明内容
但是，现有探测器的技术方案中，固态光电倍增管的高压电源电压不够稳定且噪声高，固态光电倍增管（SiPM）线性工作区域窄，暗计数噪声与散粒噪声之间存在矛盾。
为此，非常需要一种改进的固态光电倍增管的电源模组及控制方法，以使固态光电倍增模组的电源电压稳定且噪声低、线性工作区得到加宽、工作温度与散粒噪声之间达到一个好的平衡点。
在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组。
在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种控制电路，所述控制电路包括：
可调高压电源电路，用于驱动固态光电倍增管，所述可调高压电源电路包括前级负高压开关变换电路和后级线性稳压电路；所述前级负高压开关变换电路包括低压供电电源、开关升压电路和负高压变换电路；所述开关升压电路与所述低压供电电源连接，用于对所低压供电电源的输出电压进行电压变换，以输出正高压；所述负高压变换电路与所述开关升压电路连接，用于对所述开关升压电路输出的正高压进行电压变换，以输出开关负高压；所述后级线性稳压电路采用高压运放实现，用于对所述前级负高压开关变换电路的输出进行稳压；和
前端模拟电路，其采用二阶线性补偿电路实现，用于对所述固态光电倍增管的响应信号进行滤波，以及对所述固态光电倍增管非线性区域的响应进行补偿，以将所述非线性区域的信号转换为线性响应信号输出。
在本发明的另一实施例中，所述开关升压电路包括第一电感L1、第一开关SW1和第一电容C1；
所述第一电感L1的一端连接所述低压供电电源的正输出端，所述第一电感L1的另一端同时连接第一开关SW1的一端和第一电容C1的一端，所述第一开关SW1的另一端连接电源地，所述第一电容C1的另一端作为所述开关升压电路的输出端。
在本发明的又一个实施例中，所述负高压变换电路包括第一二极管D1、第二电感L2和第二电容C2；
所述第一二极管D1的阳极连接所述第二电感L2的一端，且连接点作为所述负高压变换电路的输入端；所述第二电感L2的另一端连接所述第二电容C2的一端，且连接点作为所述负高压变换电路的输出端；所述第二电容C2的另一端与所述第一二极管D1的阴极均连接电源地。
在本发明的再一个实施例中，所述后级线性稳压电路包括：
低噪声基准电路，用于输出基准电压信号；
数模转换器电路，与所述低噪声基准电路连接，用于对所述低噪声基准电路输出的数字转换为模拟信号；和
高压运放电路，与所述数模转换器电路和所述负高压变换电路连接，用于以所述数模转换器电路的输出电压作为基准信号，对所述负高压变换电路的输出电压进行放大，其输出端作为所述后级线性稳压电路的输出端。
在本发明的再一个实施例中，所述低噪声基准电路采用稳压二极管实现。
在本发明的再一个实施例中，所述低噪声基准电路采用低噪声基准电压芯片实现。
在本发明的再一个实施例中，所述前端模拟电路包括：
前端滤波跟随电路，用于对所述固态光电倍增管输出信号进行二级滤波和电压跟随；
电压比较电路，与所述前端滤波跟随电路连接，用于判断所述固态光电倍增管输出信号处于线性区域还是非线性区域，并根据判断结果输出切换信号；
二阶线性补偿电路，与所述前端滤波跟随电路连接，用于对处于非线性区域的所述固态光电倍增管输出信号进行线性补偿；和
模拟开关切换电路，与所述电压比较电路、所述前端滤波跟随电路和所述二阶线性补偿电路连接，用于根据所述切换信号输出所述前端滤波跟随电路的输出信号或输出所述二阶线性补偿电路的输出信号。
在本发明的再一个实施例中，所述前端滤波跟随电路采用运算放大器实现，所述运算放大器的同相输入端连接电容，并且与所述前端滤波跟随电路的信号输入端之间串接电阻，以实现电压跟随。
在本发明的再一个实施例中，所述电压比较电路采用运算放大器实现。
在本发明的再一个实施例中，所述二阶线性补偿电路包括：
偏置电压源，用于提供偏置电压；
两个并联的并且具有不同衰减系数的输入信号衰减电路，与所述前端滤波跟随电路连接，用于对所述前端滤波跟随电路输出的信号进行衰减；
乘法器电路，与所述两个输入信号衰减电路连接，用于对所述两个输入信号衰减电路的输出信号进行乘法运算，获得二阶补偿值；和
加法电路，与所述前端滤波跟随电路、所述乘法器电路和所述偏置电压源连接，用于对所述前端滤波跟随电路、所述乘法器电路和所述偏置电压源的输出信号进行加法运算，获得二阶线性补偿后的信号值。
在本发明的再一个实施例中，所述输入信号衰减电路采用运算放大器实现。
在本发明的再一个实施例中，所述的控制电路还包括：
低噪声跨阻电路，用于将所述固态光电倍增管输出的电流信号转换为电压信号，以及对所述电压信号进行滤波，并将滤波后的信号输出给所述前端模拟电路。
在本发明的再一个实施例中，所述的控制电路还包括：
探测器接口电路，用于连接所述固态光电倍增管与所述可调高压电源电路，还用于连接所述固态光电倍增管与所述低噪声跨阻电路。
在本发明的再一个实施例中，所述的控制电路还包括：温控电路，用于控制所述固态光电倍增管的工作温度。
在本发明的再一个实施例中，所述温控电路用于通过控制半导体制冷片的制冷温度来控制所述固态光电倍增管的工作温度。
在本发明的再一个实施例中，所述的控制电路还包括：
数字控制电路，用于实现各电路的参数调节。
在本发明的再一个实施例中，所述数字控制电路采用单片机实现。
在本发明的再一个实施例中，所述数字控制电路采用模拟电位器实现。
在本发明的再一个实施例中，所述的控制电路还包括：
高噪声电路板，用于集成所述前级负高压开关变换电路、数字控制电路和探测器接口电路；
低噪声电路板，用于集成除所述前级负高压开关变换电路、数字控制电路和探测器接口电路之外的其余电路；和
屏蔽罩，用于对所述高噪声电路板所产生的噪声进行屏蔽。
在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种所述控制电路的线性补偿方法，所述方法包括：
根据所述固态光电倍增管的特性计算所述固态光电倍增管的输出电流与输入光功率之间的响应曲线；
将所述响应曲线分成三段：线性区域、非线性区域和饱和区域；
对所述非线性区域的响应曲线进行二阶多项式拟合，得到二阶多项式的参数；
利用所述二阶多项式的参数计算所述二阶线性补偿电路的相关参数；
按照所述二阶线性补偿电路的相关参数对所述二阶线性补偿电路进行参数设置。
在本发明实施方式的第三方面中，提供了包含所述的控制电路的固态光电倍增模组，所述固态光电倍增模组还包括沿光路方向依次设置的光学接收镜头和固态光电倍增管。
在本发明的一个实施例中，所述光学接收镜头包括沿光路方向依次设置的汇聚透镜、镜筒和小孔光阑，所述汇聚透镜固定在所述镜筒前端，所述镜筒采用可伸缩的装配结构实现。
在本发明的另一个实施例中，所述固态光电倍增管配备有制冷元件。
在本发明的又一个实施例中，所述的制冷元件为半导体制冷片。
在本发明的再一个实施例中，所述的固态光电倍增模组还包括密闭的封闭外壳，所述固态光电倍增管和制冷元件均设置在所述封闭外壳内部，所述封闭外壳内部填充有氮气。
在本发明的再一个实施例中，所述的固态光电倍增模组还包括：
模组封装外壳，用于封装所述固态光电倍增管和所述控制电路。
在本发明的再一个实施例中，所述模组封装外壳外侧还设置有散热元件，用于散发所述模组封装外壳内各元件产生的热量。
在本发明的再一个实施例中，所述散热元件为散热片。
在本发明的再一个实施例中，所述散热片还配备有风扇。
根据本发明实施方式的一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组，能够为固态光电倍增管提供高稳定低噪声的工作电压，使固态光电倍增管工作在最佳温度，使暗计数噪声与散粒噪声的总和降到最低，并通过线性补偿扩宽了固态光电倍增管（SiPM）线性工作区域。本发明实施方式的一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组特别适用于单光子计数、荧光信号探测以及激光测距等领域。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的可调高压电源电路的结构示意图；
图2示意性地示出了根据本发明实施方式的前端模拟电路的结构示意图，图中72表示模拟开关切换电路的输出信号；
图3示意性地示出了根据本公开实施例的电路板的结构示意图，图中双向箭头表示两块电路板之间电信号的传输；
图4示意性地示出了根据本公开实施例的固态光电倍增模组的结构示意图；
图5示意性地示出了根据本公开实施例的控制电路的线性补偿方法的流程图；
图6示意性地示出了根据本公开实施例的探测器输出电流与输入光功率之间的响应曲线；
图7示意性地示出了根据本公开实施例的带半导体制冷片的固态光电倍增头的结构示意图。
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出了一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组。
在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
发明概述
本发明人发现，现有固态光电倍增管的技术方案中，固态光电倍增管的高压电源电压不够稳定且噪声高，固态光电倍增管（SiPM）线性工作区域窄，暗计数噪声与散粒噪声之间存在矛盾。
本发明针对该技术问题提供了一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组。控制电路包含可调高压电源电路和前端模拟电路，所述可调高压电源电路采用一级Boost开关升压、二级LC负高压变换、三级高压运放滤波稳压的方式输出可调负高压电源，为SiPM提供高稳定和低噪声的可调高压电源，充分发挥SiPM的特性；前端模拟电路具有二阶多项式线性补偿功能，用于补偿SiPM光电响应的非线性区域，扩大探测器的线性探测范围。
在介绍了本发明的基本原理之后，下面具体介绍本发明的各种非限制性实施方式。
图1示意性地示出了根据本公开实施例的一种控制电路的可调高压电源电路的一种示例性的结构示意图。
图2示意性地示出了根据本公开实施例的一种控制电路的前端模拟电路的一种示例性的结构示意图。
如图1和图2所示，所述的一种控制电路30包括：
可调高压电源电路51，用于驱动固态光电倍增管，所述可调高压电源电路51包括前级负高压开关变换电路和后级线性稳压电路65；所述前级负高压开关变换电路包括低压供电电源61、开关升压电路62和负高压变换电路63；所述开关升压电路62与所述低压供电电源61连接，用于对所低压供电电源61的输出电压进行电压变换，以输出正高压；所述负高压变换电路63与所述开关升压电路62连接，用于对所述开关升压电路62输出的正高压进行电压变换，以输出开关负高压64；所述后级线性稳压电路65采用高压运放实现，用于对所述前级负高压开关变换电路的输出进行稳压；和
前端模拟电路7，其采用二阶线性补偿电路76实现，用于对所述固态光电倍增管的响应信号进行滤波，以及对所述固态光电倍增管非线性区域的响应进行补偿，以将所述非线性区域的信号转换为线性响应信号输出。
传统开关式的高压电源采用boost的开关拓扑结构将SiPM模组低电压的供电电源转换为正向高电压，boost的拓扑结构中只存在一级LC滤波，而把驱动探测器的正向高电压改为负向高电压，则可以在开关式的高压电源拓扑中引入二级LC滤波，减小开关电流噪声。另外，根据SiPM模组本身低功耗的特性，再引入三级线性稳压电路，让前级的负向高电压给高压运放供电，并采用所述高压运放构成放大电路直接输出可调负高压电源，利用运放的高电源噪声抑制比特性抑制开关电源的噪声干扰，实现用于驱动SiPM的高稳定低噪声的可调负高压偏置电源。同时利用低噪声，低温漂的基准电压芯片作为高压运放的参考电压，并利用数字控制电路57中的数模转换器（DAC）进行运放输入端电压的设置。
作为示例，本发明实施方式中的开关升压电路62包括第一电感L1、第一开关SW1和第一电容C1；
所述第一电感L1的一端连接所述低压供电电源61的正输出端，所述第一电感L1的另一端同时连接第一开关SW1的一端和第一电容C1的一端，所述第一开关SW1的另一端连接电源地，所述第一电容C1的另一端作为所述开关升压电路62的输出端。
作为示例，本发明实施方式中的负高压变换电路63包括第一二极管D1、第二电感L2和第二电容C2；
所述第一二极管D1的阳极连接所述第二电感L2的一端，且连接点作为所述负高压变换电路63的输入端；所述第二电感L2的另一端连接所述第二电容C2的一端，且连接点作为所述负高压变换电路63的输出端；所述第二电容C2的另一端与所述第一二极管D1的阴极均连接电源地。
作为示例，本发明实施方式中的后级线性稳压电路65包括：
低噪声基准电路651，用于输出基准电压信号；
数模转换器电路652，与所述低噪声基准电路651连接，用于对所述低噪声基准电路651输出的数字转换为模拟信号；和
高压运放电路653，与所述数模转换器电路652和所述负高压变换电路63连接，用于以所述数模转换器电路652的输出电压作为基准信号，对所述负高压变换电路63的输出电压进行放大，其输出端作为所述后级线性稳压电路65的输出端，输出放大后的电压信号66。
作为示例，本发明实施方式中的低噪声基准电路651采用稳压二极管实现。
作为示例，本发明实施方式中的低噪声基准电路651采用低噪声基准电压芯片实现。
可调高压电源电路51工作原理如下：低压供电电源61通过开关升压电路62产生正高压，再通过负高压变换电路63输出开关负高压电源64，开关负高压电源64为后端可调线性稳压电路65中的高压运放653提供高压供电电源，由以高压运放653为核心的负反馈电压放大电路输出稳压负高压电源66。后级线性稳压电路65采用低噪声基准电路651给数模转换器电路652提供基准电压，数模转换器电路652输出数字可调的基准电压给高压运放653，实现负高压电源的电压可调。
作为示例，本发明实施方式中的前端模拟电路7包括：
前端滤波跟随电路75，用于对所述固态光电倍增管输出信号71进行二级滤波和电压跟随；
电压比较电路74，与所述前端滤波跟随电路75连接，用于判断所述固态光电倍增管输出信号处于线性区域还是非线性区域，并根据判断结果输出切换信号；
二阶线性补偿电路76，与所述前端滤波跟随电路75连接，用于对处于非线性区域的所述固态光电倍增管输出信号进行线性补偿；和
模拟开关切换电路77，与所述电压比较电路74、所述前端滤波跟随电路75和所述二阶线性补偿电路76连接，用于根据所述切换信号输出所述前端滤波跟随电路的输出信号或输出所述二阶线性补偿电路的输出信号。
所述模拟开关切换电路77能够实现线性区域和非线性区域的信号拼接，避免原本属于线性区域的信号受二阶线性补偿电路76的作用变为非线性。
作为示例，本发明实施方式中的前端滤波跟随电路75采用运算放大器实现，所述运算放大器的同相输入端连接电容，并且与所述前端滤波跟随电路75的信号输入端之间串接电阻，以实现电压跟随。
作为示例，本发明实施方式中的电压比较电路74采用运算放大器实现，切换点电压73输入到电压比较电路74的反相输入端。
作为示例，本发明实施方式中的二阶线性补偿电路76包括：
偏置电压源，用于提供偏置电压78；
两个并联的并且具有不同衰减系数的输入信号衰减电路761和762，与所述前端滤波跟随电路75连接，用于对所述前端滤波跟随电路75输出的信号进行衰减；两个衰减后的信号分别作为后端乘法器电路的第一级的输入信号和第二级的输入信号；
乘法器电路763，与所述两个输入信号衰减电路761和762连接，用于对所述两个输入信号衰减电路761和762的输出信号进行乘法运算，获得二阶补偿值；和
加法电路764，与所述前端滤波跟随电路75、所述乘法器电路763和所述偏置电压源连接，用于对所述前端滤波跟随电路75、所述乘法器电路763和所述偏置电压源的输出信号78进行加法运算，获得二阶线性补偿后的信号值。
所述的前端模拟电路7利用二阶多项式补偿的方法对非线性区域的响应进行补偿，并运用模拟开关进行信号重新拼接，将非线性区域的信号转换为线性响应信号输出，从而扩大探测器的线性探测范围。
作为示例，本发明实施方式中的输入信号衰减电路761和762采用运算放大器实现。
所述前端模拟电路7的工作原理如下：输入电压信号71（即SiPM的输出信号）输入给前端滤波跟随电路75，进行二级滤波和电压跟随，再通过电压比较电路74进行输入电压信号71线性区域和非线性区域的判断，根据判断结果控制模拟开关电路77。如果输入电压信号71本身处于线性区域，则通过模拟开关电路77的一端直接输出；如果输入电压信号71在非线性区域，则进入二阶线性补偿电路76进行线性补偿，然后从模拟开关电路77的另一端输出。线性区域和非线性区域之间的临界点称为切换点电压73，所述切换点电压73可根据实际情况进行设置。电压值小于切换点电压73的信号属于线性区域，电压值大于切换点电压73的信号属于非线性区域。二阶线性补偿电路76首先将由前端滤波跟随电路75输出的信号分别通过一级输入信号衰减电路761和二级输入信号衰减电路762进行衰减后，再由后端的乘法器电路763进行乘法运算获得二阶补偿值，最后通过后端加法电路764进行输入信号、补偿信号和偏置电压78的加法运算，输出二阶线性补偿后的信号值。
图3示意性地示出了根据本公开实施例的控制电路30的电路板的结构示意图。
如图3所示，本发明实施方式的控制电路30还包括：
低噪声跨阻电路54，用于将所述固态光电倍增管输出的电流信号转换为电压信号，以及对所述电压信号进行滤波，并将滤波后的信号输出给所述前端模拟电路7。
作为示例，本发明实施方式的控制电路30还包括：
探测器接口电路53，用于连接所述固态光电倍增管与所述可调高压电源电路，还用于连接所述固态光电倍增管与所述低噪声跨阻电路54。
作为示例，本发明实施方式的控制电路30还包括：温控电路52，用于控制所述固态光电倍增管的工作温度。
作为示例，本发明实施方式的温控电路52用于通过控制半导体制冷片的制冷温度来控制所述固态光电倍增管的工作温度。所述温控电路52还配备有温控电源电路58，用于为所述温控电路52提供电源。
为了平衡固态光电倍增管（SiPM）的暗计数噪声和散粒噪声，本发明实施方式采用半导体制冷片对SiPM进行控温，通过数字控制电路30控制半导体制冷片的制冷温度，使SiPM工作在最佳温度点，获得最低噪声输出。并采用独立密闭封装的方式将SiPM、半导体制冷片和温度传感器封装在一起，减小制冷体积减小功耗，降低电路噪声。
作为示例，本发明实施方式的控制电路30还包括：
数字控制电路57，用于实现各功能电路的参数调节。例如，调节半导体制冷片的制冷温度、调节后级线性稳压电路65中的高压运放电路653输入端电压等。
作为示例，本发明实施方式的数字控制电路57采用模拟电位器实现。
作为示例，本发明实施方式的数字控制电路57采用单片机实现。数字控制电路57可以采用单片机（MCU）响应用户指令，用数模转换器（DAC）进行SiPM的增益、工作温度参数设置，实现各功能电路参数的数字调节和补偿。采用单片机替换模拟电位器的机械调节参数的方式，有效提升了电路调节的效率和可靠性，更便于用户使用。而且数字控制方式能够执行更优秀的电路数字负反馈控制算法，精确锁定电路参数，提高控制精度。
图4示意性地示出了根据本公开实施例的固态光电倍增模组的结构示意图，该图给出了本公开实施例的控制电路30的应用场景。
如图4所示，本发明实施方式的控制电路30还包括：
高噪声电路板31，用于集成所述前级负高压开关变换电路、数字控制电路57和探测器接口电路；
低噪声电路板32，用于集成除所述前级负高压开关变换电路、数字控制电路57和探测器接口电路53之外的其余电路；和
屏蔽罩，用于对所述高噪声电路板31所产生的噪声进行屏蔽。
所述高噪声电路板31用来集成噪声较大的功能电路，所述噪声较大的功能电路包括但不限于前级负高压开关变换电路、数字控制电路57和探测器接口电路，低噪声电路板32用来集成噪声敏感的功能电路，高噪声电路板31和低噪声电路板32上所集成的电路根据实际情况而定。高噪声电路板31与低噪声电路板32之间可采用线路板连接座子33进行连接。低噪声电路板32周围填充有导热灌封胶36，能够对发热量大却又受温度影响大的元器件进行散热，以减小因局部温度过高引起的噪声增大的影响，抑制电路噪声。这种两块电路板分开的双层结构能够隔离强干扰电路对噪声敏感电路的干扰，实现单点共地，抑制噪声。
所述屏蔽罩的数量可以是两个，分别为高压电源屏蔽罩34和数字电路屏蔽罩35，分别用于屏蔽可调高压电源电路和数字控制电路57所产生的噪声，进一步抑制高噪声电路板31上的高噪声电路对噪声敏感电路的干扰。
图5示意性地示出了根据本公开实施例的控制电路30的线性补偿方法的流程图。
如图5所示，本公开实施例的控制电路30的线性补偿方法一般性地可以包括：
步骤S1、根据所述固态光电倍增管的特性计算所述固态光电倍增管的输出电流与输入光功率之间的响应曲线；
步骤S2、将所述响应曲线分成三段：线性区域、非线性区域和饱和区域；
步骤S3、对所述非线性区域的响应曲线进行二阶多项式拟合，得到二阶多项式的参数；
步骤S3、利用所述二阶多项式的参数计算所述二阶线性补偿电路的相关参数；和
步骤S5、按照所述二阶线性补偿电路的相关参数对所述二阶线性补偿电路进行参数设置。
固态光电倍增管（SiPM）由APD单元阵列构成，其光电响应公式如下：
其中，Nfired为激发点火的APD单元数量，M为探测器中总的APD单元数量，PDE为光子探测效率，Nph为入射光子数，tp为恢复时间。
其中，G为探测器的倍增增益，e为电荷常量。
Nph和输入光功率的关系如下：
其中，Pin为输入光功率，h为普朗克常量，c为光速，λ为探测信号光波长。
根据SiPM的光电响应公式，将给定的探测器参数输入公式，可以得到如图6所示的探测器输出电流Iout和输入光功率Pin的响应曲线。
如图6所示，将所述响应曲线分成三段，分别是线性区域81、非线性区域82和饱和区域83。对非线性区域部分曲线进行二阶多项式拟合，得到二阶多项式拟合曲线84。首先将所述二阶多项式拟合曲线84的二阶系数除以一阶系数，得到的值用来设置第一输入信号衰减电路761和第二输入信号衰减电路762电路的衰减系数；然后将二阶多项式拟合曲线84的常数系数除以一阶系数，得到的值用来设置偏置电压78的值。由此，可以利用二阶多项式补偿的方法对非线性区域的响应进行补偿，将非线性区域的信号转换为线性响应信号输出，从而扩大探测器的线性探测范围。
图4示意性地示出了根据本公开实施例的固态光电倍增模组的结构示意图。
图6示意性地示出了根据本公开实施例的带半导体制冷片的固态光电倍增头的结构示意图。
如图4和图6所示，本公开实施例的固态光电倍增模组包括上述控制电路30和沿光路方向依次设置的光学接收镜头10和固态光电倍增管21，所述控制电路30用于控制所述固态光电倍增管21。
本发明实施方式的光学接收镜头10包括沿光路方向依次设置的汇聚透镜11、镜筒13和小孔光阑12，所述汇聚透镜11固定在所述镜筒13前端，所述镜筒13采用可伸缩的装配结构实现。所述汇聚透镜11用于汇聚待测荧光信号，小孔光阑12用于抑制杂散光信号，可伸缩的镜筒13能够调节汇聚透镜11与SiPM的间距，使照射在SiPM上的荧光均匀覆盖SiPM，提升模组的动态探测范围。
荧光发生物体02发出的荧光由光学接收镜头10接收并进行汇聚，覆盖到固态光电倍增头20（即探测器）的探测面上，被探测器吸收并转换为电流信号，所述电流信号通过控制电路30进行电信号处理从而输出可被后端采集电路识别的模拟电压信号，完成一次荧光信号的探测。
作为示例，本发明实施方式的固态光电倍增管21配备有制冷元件，所述制冷元件用于调节SiPM的工作温度，使SiPM工作在最佳温度下有效抑制噪声。
作为示例，本发明实施方式的制冷元件为半导体制冷片23，并配备有温度传感器22，所述温度传感器22用于传感SiPM的温度，所述固态光电倍增管21与温度传感器22均焊接在所述半导体制冷片23的制冷面上。
作为示例，本发明实施方式的固态光电倍增模组还包括密闭的封闭外壳24，所述固态光电倍增管21、半导体制冷片23和温度传感器22均设置在所述封闭外壳24内部，但传感器引脚引出所述封闭外壳24，所述封闭外壳24采用玻璃窗口密封，玻璃窗口上镀有被探测荧光相应波长的增透膜，以保证荧光尽可能全部入射到固态光电倍增管21的探测面上，而不被反射。所述封闭外壳24内部填充有氮气，以避免传感器表面结露而影响光信号探测。采用独立密闭封装的方式将固态光电倍增管21、半导体制冷片23和温度传感器22封装在一起，不仅能够减小制冷体积、降低功耗，还能降低电路噪声。
作为示例，本发明实施方式的固态光电倍增模组还包括：
模组封装外壳40，用于封装所述固态光电倍增管21和所述控制电路30。
作为示例，本发明实施方式的模组封装外壳40外侧还设置有散热元件，用于散发所述模组封装外壳内各元件产生的热量。低噪声电路板32紧贴模组封装外壳40以便能够很好地散热。固态光电倍增头20的电引脚焊接在低噪声电路板32上并通过外壳40进行散热。
作为示例，本发明实施方式的散热元件为散热片。
作为示例，本发明实施方式的散热片还配备有风扇，用于为所述散热片进行散热。
作为示例，本发明实施方式的固态光电倍增模组还包括模组电接口电路56，所述模组电接口电路56作为控制电路30的一部分，并作为整个固态光电倍增模组的接口电路。所述模组电接口电路56包含电源供电接口、模拟信号输出接口、数字控制通信接口以及模拟控制接口等，实现固态光电倍增模组的外部交互。
所述模组电接口电路56也可以采用模组电接口屏蔽罩37进行噪声屏蔽。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
